JP6773501B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、半導体装置に関する。 One aspect of the present invention relates to a semiconductor device.

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書などで開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの動作方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。 One aspect of the present invention is not limited to the above technical fields. The technical field of one aspect of the invention disclosed in this specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). Therefore, more specifically, the technical fields of one aspect of the present invention disclosed in the present specification include semiconductor devices, display devices, liquid crystal display devices, light emitting devices, lighting devices, power storage devices, storage devices, imaging devices, and the like. The operation method or the manufacturing method thereof can be given as an example.

なお、本明細書などにおいて半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 In the present specification and the like, the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics. Transistors and semiconductor circuits are one aspect of semiconductor devices. Further, the storage device, the display device, the image pickup device, and the electronic device may have a semiconductor device.

近年、IT技術が急速に発展し、高性能な半導体装置が数多く開発されている。例えば撮像装置として、超高速度イメージセンサ、超高感度イメージセンサおよび超高解像度イメージセンサなどが開発されている。 In recent years, IT technology has developed rapidly, and many high-performance semiconductor devices have been developed. For example, as an imaging device, an ultra-high speed image sensor, an ultra-sensitive image sensor, an ultra-high resolution image sensor, and the like have been developed.

また、トランジスタに適用可能な半導体材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、酸化物半導体として酸化亜鉛、またはIn−Ga−Zn系酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている(特許文献1および特許文献2参照)。 In addition, oxide semiconductors are attracting attention as semiconductor materials applicable to transistors. For example, a technique for manufacturing a transistor using zinc oxide or an In-Ga-Zn-based oxide semiconductor as an oxide semiconductor is disclosed (see Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開2007−123861号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-123861 特開2007−96055号公報JP-A-2007-96055

半導体装置が扱うデータ量や消費電力は増加している一方、半導体装置の小型化・薄型化や低消費電力化が求められている。 While the amount of data and power consumption handled by semiconductor devices are increasing, there is a demand for smaller and thinner semiconductor devices and lower power consumption.

そこで、本発明の一態様では、消費電力を低減した半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、小型の半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、高速動作に適した半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、低電圧動作に適した半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、広い温度範囲で使用することができる半導体装置を提供することを課題の1つとする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の1つとする。 Therefore, in one aspect of the present invention, one of the problems is to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, one of the issues is to provide a small semiconductor device. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device suitable for high-speed operation. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device suitable for low voltage operation. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device having a transistor having a small off-current. Alternatively, one of the problems is to provide a semiconductor device that can be used in a wide temperature range. Alternatively, one of the issues is to provide a highly reliable semiconductor device.

または、本発明の一態様では、新規な半導体装置、新規な半導体装置の動作方法および新規な電子機器などを提供することを課題の1つとする。 Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a new semiconductor device, a method of operating a new semiconductor device, a new electronic device, and the like.

なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書または図面などの記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した課題、および/または他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。 The problems of one aspect of the present invention are not limited to the problems listed above. The issues listed above do not preclude the existence of other issues. Other issues are issues not mentioned in this item, which are described below. Issues not mentioned in this item can be derived from descriptions in the description or drawings by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. In addition, one aspect of the present invention solves at least one of the above-listed problems and / or other problems.

本発明の一態様は、第1の回路と、第1の配線と、第2の配線と、第3の配線と、第4の配線と、第5の配線と、第6の配線と、を有する半導体装置である。第1の回路は、第1のモードまたは第2のモードで動作し、第1の回路は、第2の回路と、第3の回路と、第4の回路と、第5の回路と、を有し、第5の回路は、n個(nは2以上の整数)の第6の回路を有する。また、第2の回路と、第3の回路と、第4の回路と、第5の回路と、は第5の配線および第6の配線により電気的に接続される。第2の回路は、第1の回路が第1のモードで動作する場合は、第1の配線のデータを第5の配線に転送し、第2の配線のデータを第6の配線に転送する機能を有し、また第1の回路が第2のモードで動作する場合は、第5の配線のデータに対応する信号を第3の配線に出力し、第6の配線のデータに対応する信号を第4の配線に出力する機能を有する。第3の回路は、1ビットの撮像データを記憶する機能を有する。また、第3の回路は、第1の回路が第1のモードで動作する場合は、第3の回路に記憶された相補データを第6の回路に書き込む機能を有し、また第1の回路が第2のモードで動作する場合は、第6の回路から転送された相補データを増幅する機能を有する。また、第4の回路は、第5の配線および第6の配線をプリチャージする機能を有する。また、第6の回路は、第3の回路から書き込まれた1ビットの相補データを保持する機能を有する。 One aspect of the present invention includes a first circuit, a first wiring, a second wiring, a third wiring, a fourth wiring, a fifth wiring, and a sixth wiring. It is a semiconductor device to have. The first circuit operates in the first mode or the second mode, and the first circuit includes a second circuit, a third circuit, a fourth circuit, and a fifth circuit. The fifth circuit has n (n is an integer of 2 or more) sixth circuit. Further, the second circuit, the third circuit, the fourth circuit, and the fifth circuit are electrically connected by the fifth wiring and the sixth wiring. The second circuit transfers the data of the first wiring to the fifth wiring and the data of the second wiring to the sixth wiring when the first circuit operates in the first mode. When it has a function and the first circuit operates in the second mode, the signal corresponding to the data of the fifth wiring is output to the third wiring, and the signal corresponding to the data of the sixth wiring is output. Has a function of outputting to the fourth wiring. The third circuit has a function of storing 1-bit imaging data. Further, the third circuit has a function of writing the complementary data stored in the third circuit to the sixth circuit when the first circuit operates in the first mode, and the first circuit also has a function of writing the complementary data stored in the third circuit to the sixth circuit. When operating in the second mode, it has a function of amplifying the complementary data transferred from the sixth circuit. Further, the fourth circuit has a function of precharging the fifth wiring and the sixth wiring. Further, the sixth circuit has a function of holding 1-bit complementary data written from the third circuit.

また、第2の回路は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、第6のトランジスタと、を有してもよい。第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第1の配線と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第5の配線と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第3の配線と電気的に接続され、第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第3のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第3のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2の配線と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6の配線と電気的に接続され、第4のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第5のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第4の配線と電気的に接続され、第5のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第6のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続されている。 Further, the second circuit may include a first transistor, a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, and a sixth transistor. .. One of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the first wire, the other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the fifth wire, and the first transistor One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the gate of the third transistor, and one of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the third wiring and the source of the second transistor. Or the other of the drains is electrically connected to one of the sources or drains of the third transistor and the other of the sources or drains of the third transistor is electrically connected to one of the sources or drains of the sixth transistor. One of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the second wire, and the other of the source or drain of the fourth transistor is electrically connected to the sixth wire. The other of the source or drain of the transistor is electrically connected to the gate of the sixth transistor, and one of the source or drain of the fifth transistor is electrically connected to the fourth wiring, and the fifth transistor. The other of the source or drain of the sixth transistor is electrically connected to the other of the source or drain of the sixth transistor.

また、第3の回路はラッチ回路を有してもよい。 Further, the third circuit may have a latch circuit.

また、第6の回路は、第7のトランジスタと、第8のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有していてもよい。第7のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第5の配線と電気的に接続され、第7のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第1の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、第8のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第6の配線と電気的に接続され、第8のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第2の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、第1の容量素子の他方の端子は、第2の容量素子の他方の端子と電気的に接続されている。 Further, the sixth circuit may include a seventh transistor, an eighth transistor, a first capacitive element, and a second capacitive element. One of the source or drain of the seventh transistor is electrically connected to the fifth wiring, and the other of the source or drain of the seventh transistor is electrically connected to one terminal of the first capacitive element. , One of the source or drain of the eighth transistor is electrically connected to the sixth wiring, and the other of the source or drain of the eighth transistor is electrically connected to one terminal of the second capacitive element. The other terminal of the first capacitive element is electrically connected to the other terminal of the second capacitive element.

また、第7のトランジスタおよび第8のトランジスタは、活性層に酸化物半導体を有してもよい。また、酸化物半導体は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)と、を有していてもよい。 Further, the seventh transistor and the eighth transistor may have an oxide semiconductor in the active layer. Further, the oxide semiconductor may have In, Zn, and M (M is Al, Ti, Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd or Hf).

また、第5の回路は、第2の回路、第3の回路および第4の回路のそれぞれと重なる領域を有していてもよい。 Further, the fifth circuit may have a region overlapping with each of the second circuit, the third circuit, and the fourth circuit.

また、本発明の一態様の半導体装置と、表示装置と、を有する電子機器も本発明の一態様である。 An electronic device having a semiconductor device according to an aspect of the present invention and a display device is also an aspect of the present invention.

本発明の一態様では、消費電力を低減した半導体装置を提供することができる。または、小型の半導体装置を提供することができる。または、高速動作に適した半導体装置を提供することができる。または、低電圧動作に適した半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、広い温度範囲で使用することができる半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。 In one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device with reduced power consumption. Alternatively, a small semiconductor device can be provided. Alternatively, a semiconductor device suitable for high-speed operation can be provided. Alternatively, a semiconductor device suitable for low voltage operation can be provided. Alternatively, a semiconductor device having a transistor having a small off-current can be provided. Alternatively, a semiconductor device that can be used in a wide temperature range can be provided. Alternatively, a highly reliable semiconductor device can be provided.

または、本発明の一態様では、新規な半導体装置、新規な半導体装置の動作方法および新規な電子機器などを提供することができる。 Alternatively, in one aspect of the present invention, a new semiconductor device, a new operating method of the semiconductor device, a new electronic device, and the like can be provided.

なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書または図面などの記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、および/または他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。したがって本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。 The effects of one aspect of the present invention are not limited to the effects listed above. The effects listed above do not preclude the existence of other effects. The other effects are the effects not mentioned in this item, which are described below. Effects not mentioned in this item can be derived from those described in the description or drawings by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. In addition, one aspect of the present invention has at least one of the above-listed effects and / or other effects. Therefore, one aspect of the present invention may not have the effects listed above in some cases.

撮像装置を説明するブロック図およびラインバッファの動作を説明するタイミングチャート。A block diagram illustrating an imaging device and a timing chart illustrating the operation of a line buffer. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファのデバイス構造を模式的に示す回路図。A circuit diagram schematically showing a device structure of a line buffer. ラインバッファの動作を説明するタイミングチャート。A timing chart that describes the operation of the line buffer. ラインバッファの動作を説明するタイミングチャート。A timing chart that describes the operation of the line buffer. 電位生成回路を説明する回路図およびタイミングチャート。A circuit diagram and a timing chart illustrating a potential generation circuit. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファを説明する回路図。A circuit diagram illustrating a line buffer. ラインバッファを説明するブロック図。A block diagram illustrating a line buffer. ラインバッファの動作を説明するタイミングチャート。A timing chart that describes the operation of the line buffer. ラインバッファの動作を説明するタイミングチャート。A timing chart that describes the operation of the line buffer. トランジスタを説明する上面図および断面図。Top view and sectional view explaining the transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。Top view and sectional view explaining the transistor. トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。The figure explaining the cross section in the channel width direction of a transistor. 半導体層を説明する上面図および断面図。Top view and sectional view explaining the semiconductor layer. トランジスタを説明する上面図および断面図。Top view and sectional view explaining the transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。Top view and sectional view explaining the transistor. トランジスタのチャネル幅方向の断面を説明する図。The figure explaining the cross section in the channel width direction of a transistor. トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。The figure explaining the cross section in the channel length direction of a transistor. トランジスタのチャネル長方向の断面を説明する図。The figure explaining the cross section in the channel length direction of a transistor. トランジスタを説明する上面図および断面図。Top view and sectional view explaining the transistor. トランジスタを説明する上面図。Top view illustrating a transistor. 本発明に係る酸化物の原子数比の範囲を説明する図。The figure explaining the range of the atomic number ratio of the oxide which concerns on this invention. InMZnOの結晶を説明する図。The figure explaining the crystal of InMZnO 4 . 酸化物の積層構造におけるバンド図。Band diagram in a laminated structure of oxides. CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。The figure explaining the structural analysis of CAAC-OS and a single crystal oxide semiconductor by XRD, and the figure which shows the selected area electron diffraction pattern of CAAC-OS. CAAC−OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。A cross-sectional TEM image of the CAAC-OS, a plane TEM image, and an image analysis image thereof. nc−OSの電子回折パターンを示す図、およびnc−OSの断面TEM像。The figure which shows the electron diffraction pattern of nc-OS, and the cross-sectional TEM image of nc-OS. a−like OSの断面TEM像。Cross-sectional TEM image of a-like OS. In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。The figure which shows the change of the crystal part by electron irradiation of In-Ga-Zn oxide. 撮像装置を収めたパッケージの斜視図および断面図。A perspective view and a sectional view of a package containing an imaging device. 撮像装置を収めたパッケージの斜視図および断面図。A perspective view and a sectional view of a package containing an imaging device. 電子機器を説明する図。The figure explaining the electronic device.

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。 The embodiment will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that the form and details of the present invention can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments shown below. In the configuration of the invention described below, the same reference numerals may be used in common between different drawings for the same parts or parts having similar functions, and the repeated description thereof may be omitted. The hatching of the same elements constituting the drawings may be omitted or changed as appropriate between different drawings.

なお、第1、第2として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。 The ordinal numbers attached as the first and second numbers are used for convenience and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, the "first" can be appropriately replaced with the "second" or "third" for explanation. In addition, the ordinal numbers described in the present specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one aspect of the present invention.

また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。 Also, in the drawings, the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. The drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, it is possible to include variations in signal, voltage, or current due to noise, or variations in signal, voltage, or current due to timing lag.

また本明細書などにおいて、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域またはソース電極)の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。 Further, in the present specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. Then, a channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, the channel region and the source. Can be done.

ここで、ソースとドレインとは、トランジスタの構造または動作条件などによって変わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、「ソース」という用語と、「ドレイン」という用語とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。 Here, since the source and drain change depending on the structure or operating conditions of the transistor, it is difficult to limit which is the source or drain. Therefore, the terms "source" and "drain" can be interchanged in some cases or in some circumstances.

また、本明細書などにおいて、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書などに開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。 Further, in the present specification and the like, when it is explicitly stated that X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected and the case where X and Y function. It is assumed that the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are directly connected are disclosed in the present specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, a connection relationship shown in a figure or a sentence, and a connection relationship other than the connection relationship shown in the figure or the sentence shall be described in the figure or the sentence.

ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 Here, X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。 As an example of the case where X and Y are directly connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor, a resistance element, a diode, a display) that enables an electrical connection between X and Y is used. Elements (eg, switches, transistors, capacitive elements, inductors) that allow an electrical connection between X and Y when the element, light emitting element, load, etc. are not connected between X and Y. , A resistance element, a diode, a display element, a light emitting element, a load, etc.), and X and Y are connected to each other.

XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、または、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。 As an example of the case where X and Y are electrically connected, an element (for example, a switch, a transistor, a capacitance element, an inductor, a resistance element, a diode, a display) that enables an electrical connection between X and Y is used. One or more elements, light emitting elements, loads, etc.) can be connected between X and Y. The switch has a function of controlling on / off. That is, the switch is in a conductive state (on state) or a non-conducting state (off state), and has a function of controlling whether or not a current flows. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching the path through which the current flows. It should be noted that the case where X and Y are electrically connected includes the case where X and Y are directly connected.

XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅または電流量などを大きくできる回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。 As an example of the case where X and Y are functionally connected, a circuit that enables functional connection between X and Y (for example, a logic circuit (inverter, NAND circuit, NOR circuit, etc.), signal conversion, etc.) Circuits (DA conversion circuit, AD conversion circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level conversion circuit (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit, etc.), level shifter circuit that changes the signal potential level, etc.), voltage source, current source, switching Circuits, amplification circuits (circuits that can increase signal amplitude or current amount, operational amplifiers, differential amplification circuits, source follower circuits, buffer circuits, etc.), signal generation circuits, storage circuits, control circuits, etc.) are X and Y. It is possible to connect one or more in between. As an example, even if another circuit is sandwiched between X and Y, if the signal output from X is transmitted to Y, it is assumed that X and Y are functionally connected. To do. When X and Y are functionally connected, it includes a case where X and Y are directly connected and a case where X and Y are electrically connected.

なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子または別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子または別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書などに開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書などに開示されているものとする。 When it is explicitly stated that X and Y are electrically connected, it is different when X and Y are electrically connected (that is, between X and Y). When X and Y are functionally connected (that is, when they are connected by sandwiching another circuit between X and Y) and when they are functionally connected by sandwiching another circuit between X and Y. (That is, when X and Y are directly connected (that is, when another element or another circuit is not sandwiched between X and Y)). It shall be disclosed in the book. That is, when it is explicitly stated that it is electrically connected, the same contents as when it is explicitly stated that it is simply connected are disclosed in the present specification and the like. It is assumed that it has been done.

なお、例えば、トランジスタのソース(または第1の端子など)が、Z1を介して(または介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)が、Z2を介して(または介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(または第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することができる。 Note that, for example, the source of the transistor (or the first terminal, etc.) is electrically connected to X via (or not) Z1, and the drain of the transistor (or the second terminal, etc.) connects to Z2. Through (or not) being electrically connected to Y, or the source of the transistor (or the first terminal, etc.) is directly connected to one part of Z1 and another part of Z1. Is directly connected to X, the drain of the transistor (or the second terminal, etc.) is directly connected to one part of Z2, and another part of Z2 is directly connected to Y. Then, it can be expressed as follows.

例えば、「XとYとトランジスタのソース(または第1の端子など)とドレイン(または第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(または第1の端子など)、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(または第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(または第1の端子など)、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Xは、トランジスタのソース(または第1の端子など)とドレイン(または第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(または第1の端子など)、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(または第1の端子など)と、ドレイン(または第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 For example, "X and Y, the source of the transistor (or the first terminal, etc.) and the drain (or the second terminal, etc.) are electrically connected to each other, and the X, the source of the transistor (or the first terminal, etc.) (Terminals, etc.), transistor drains (or second terminals, etc.), and Y are electrically connected in this order. " Alternatively, "the source of the transistor (or the first terminal, etc.) is electrically connected to X, the drain of the transistor (or the second terminal, etc.) is electrically connected to Y, and the X, the source of the transistor (such as the second terminal). Or the first terminal, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are electrically connected in this order. " Alternatively, "X is electrically connected to Y via the source (or first terminal, etc.) and drain (or second terminal, etc.) of the transistor, and X, the source (or first terminal, etc.) of the transistor. The terminals, etc.), the drain of the transistor (or the second terminal, etc.), and Y are provided in this connection order. " By defining the order of connections in the circuit configuration using the same representation as these examples, the source (or first terminal, etc.) and drain (or second terminal, etc.) of the transistor can be separated. Separately, the technical scope can be determined.

または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース(または第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース(または第1の端子など)とトランジスタのドレイン(または第2の端子など)との間の経路であり、前記第1の接続経路は、Z1を介した経路であり、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有しておらず、前記第3の接続経路は、Z2を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(または第1の端子など)は、少なくとも第1の接続経路によって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の接続経路は、第2の接続経路を有しておらず、前記第2の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)は、少なくとも第3の接続経路によって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の接続経路は、前記第2の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース(または第1の端子など)は、少なくとも第1の電気的パスによって、Z1を介して、Xと電気的に接続され、前記第1の電気的パスは、第2の電気的パスを有しておらず、前記第2の電気的パスは、トランジスタのソース(または第1の端子など)からトランジスタのドレイン(または第2の端子など)への電気的パスであり、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)は、少なくとも第3の電気的パスによって、Z2を介して、Yと電気的に接続され、前記第3の電気的パスは、第4の電気的パスを有しておらず、前記第4の電気的パスは、トランジスタのドレイン(または第2の端子など)からトランジスタのソース(または第1の端子など)への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース(または第1の端子など)と、ドレイン(または第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。 Alternatively, as another expression, for example, "the source of the transistor (or the first terminal, etc.) is electrically connected to X via at least the first connection path, and the first connection path is. It does not have a second connection path, the second connection path between the source of the transistor (or the first terminal, etc.) and the drain of the transistor (or the second terminal, etc.) via the transistor. The first connection path is a path via Z1, and the drain of the transistor (or the second terminal, etc.) is electrically connected to Y via at least a third connection path. It is connected, and the third connection path does not have the second connection path, and the third connection path is a path via Z2. " Alternatively, "the source of the transistor (or the first terminal, etc.) is electrically connected to X via Z1 by at least the first connection path, and the first connection path is the second connection path. The second connection path has a connection path via a transistor, and the drain of the transistor (or a second terminal, etc.) is via Z2 by at least a third connection path. , Y is electrically connected, and the third connection path does not have the second connection path. " Alternatively, "the source of the transistor (or the first terminal, etc.) is electrically connected to X via Z1 by at least the first electrical path, the first electrical path being the second. It does not have an electrical path, the second electrical path is an electrical path from the source of the transistor (or the first terminal, etc.) to the drain of the transistor (or the second terminal, etc.). The drain (or second terminal, etc.) of the transistor is electrically connected to Y via Z2 by at least a third electrical path, the third electrical path being a fourth electrical path. The fourth electrical path is an electrical path from the drain of the transistor (or the second terminal, etc.) to the source of the transistor (or the first terminal, etc.). " can do. By defining the connection path in the circuit configuration using the same representation as these examples, the source (or first terminal, etc.) of the transistor and the drain (or second terminal, etc.) can be distinguished. , The technical scope can be determined.

なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。 It should be noted that these expression methods are examples and are not limited to these expression methods. Here, it is assumed that X, Y, Z1 and Z2 are objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).

なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としての機能を有する場合は、一の導電膜が、配線の機能、および電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。 Even if the circuit diagram shows that the independent components are electrically connected to each other, the case where one component has the functions of a plurality of components together. There is also. For example, when a part of the wiring has a function as an electrode, one conductive film has both a function of the wiring and a function of a component of the function of the electrode. Therefore, the electrical connection in the present specification also includes the case where one conductive film has the functions of a plurality of components in combination.

なお、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁層」という用語を、「絶縁膜」という用語に変更することが可能な場合がある。 The term "membrane" and the term "layer" can be interchanged with each other in some cases or in some circumstances. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive layer". Alternatively, for example, it may be possible to change the term "insulating layer" to the term "insulating film".

なお、一般的に、電位(電圧)は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさによって大きさが決定される。したがって、「接地」「GND」「グラウンド」などと記載されている場合であっても、必ずしも、電位が0ボルトであるとは限らないものとする。例えば、回路で最も低い電位を基準として、「接地」や「GND」を定義する場合もある。または、回路で中間くらいの電位を基準として、「接地」や「GND」を定義する場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定されることとなる。 In general, the potential (voltage) is relative, and the magnitude is determined by the relative magnitude from the reference potential. Therefore, even if it is described as "ground", "GND", "ground", etc., the potential is not necessarily 0 volt. For example, "ground" or "GND" may be defined with reference to the lowest potential in the circuit. Alternatively, the circuit may define "ground" or "GND" with reference to an intermediate potential. In that case, the positive potential and the negative potential are defined with the potential as a reference.

なお本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す用語は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In this specification, terms such as "above" and "below" are used for convenience in order to explain the positional relationship between the configurations with reference to the drawings. Further, the positional relationship between the configurations changes appropriately depending on the direction in which each configuration is depicted. Therefore, it is not limited to the words and phrases explained in the specification, and can be appropriately paraphrased according to the situation.

(実施の形態1)
本実施の形態では、半導体装置の一例として撮像装置について説明する。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, an imaging device will be described as an example of the semiconductor device.

本発明の一態様は、一のワーキングメモリあたり複数の長期記憶メモリを有するラインバッファに関する。ラインバッファは、撮像装置が有する画素から出力された撮像データを保持し、保持された当該撮像データを例えば信号処理LSIのフレームメモリ等に出力する機能を有する。ワーキングメモリはラッチ回路を有し、DRAMや不揮発性メモリなどと比較して書き込み速度および読み出し速度が速い。また、長期記憶メモリは、容量素子と、活性層または活性領域を酸化物半導体で形成したトランジスタなどのオフ電流が極めて小さいトランジスタと、を有するメモリである。オフ電流が極めて小さいトランジスタを有するメモリは、ラッチ回路を有するメモリより1ビットあたりの占有面積が小さい。つまり、単位面積あたりの記憶容量が大きい。以上により、本発明の一態様の、一のワーキングメモリあたり複数の長期記憶メモリを有するラインバッファは、小型であっても高速な書き込み動作および読み出し動作を実現することができる。 One aspect of the present invention relates to a line buffer having a plurality of long-term storage memories per working memory. The line buffer has a function of holding the image pickup data output from the pixels of the image pickup apparatus and outputting the held image pickup data to, for example, a frame memory of a signal processing LSI. The working memory has a latch circuit and has a higher write speed and read speed than a DRAM or a non-volatile memory. Further, the long-term memory memory is a memory having a capacitive element and a transistor having an extremely small off-current such as a transistor having an active layer or an active region formed of an oxide semiconductor. A memory having a transistor having an extremely small off-current occupies a smaller area per bit than a memory having a latch circuit. That is, the storage capacity per unit area is large. As described above, the line buffer having a plurality of long-term storage memories per working memory according to one aspect of the present invention can realize high-speed write operation and read operation even if it is small.

<撮像装置>
図1(A)は、本発明の一態様の撮像装置10の構成を示すブロック図である。撮像装置10は、画素11、回路13、回路14、回路15、回路16および回路17を有する。また、画素11はマトリクス状に配置されてp行q列(pおよびqは自然数)の画素アレイ12を構成する。さらに、回路16はマトリクス状に配置され、各行の回路16ごとに回路17が配置されている。
<Imaging device>
FIG. 1A is a block diagram showing a configuration of an image pickup apparatus 10 according to an aspect of the present invention. The image pickup apparatus 10 includes a pixel 11, a circuit 13, a circuit 14, a circuit 15, a circuit 16, and a circuit 17. Further, the pixels 11 are arranged in a matrix to form a pixel array 12 having p rows and q columns (p and q are natural numbers). Further, the circuits 16 are arranged in a matrix, and the circuits 17 are arranged for each circuit 16 in each row.

回路16は回路16Aおよび回路16Bを有し、回路17は回路17Aおよび回路17Bを有する。また、回路17Aは回路16Aと電気的に接続され、回路17Bは回路16Bと電気的に接続されている。 The circuit 16 has a circuit 16A and a circuit 16B, and the circuit 17 has a circuit 17A and a circuit 17B. Further, the circuit 17A is electrically connected to the circuit 16A, and the circuit 17B is electrically connected to the circuit 16B.

なお図面における各回路ブロックの配置は、説明のため位置関係を特定するものであり、異なる回路ブロックで別々の機能を実現するよう示していても、実際の回路ブロックにおいては同じ回路ブロック内で別々の機能を実現しうるように設けられている場合もある。また図面における各回路ブロックの機能は、説明のため機能を特定するものであり、一つの回路ブロックとして示していても、実際の回路ブロックにおいては一つの回路ブロックで行う処理を、複数の回路ブロックで行うよう設けられている場合もある。 The arrangement of each circuit block in the drawing specifies the positional relationship for explanation, and even if it is shown that different circuit blocks realize different functions, the actual circuit blocks are different in the same circuit block. In some cases, it is provided so as to realize the functions of. Further, the function of each circuit block in the drawing is for specifying the function for explanation, and even if it is shown as one circuit block, in the actual circuit block, the processing performed by one circuit block is performed by a plurality of circuit blocks. In some cases, it is provided to do so.

回路13は、画素アレイ12の行を選択する、行ドライバとしての機能を有する。回路14は、画素アレイ12の列を選択する、列ドライバとしての機能を有する。回路13は、1行目の画素11を選択した後に2行目の画素11を選択し、p行目の画素11まで順に選択する。つまり、回路13は画素11を水平方向に走査する機能を有する。 The circuit 13 has a function as a row driver that selects a row of the pixel array 12. The circuit 14 has a function as a column driver that selects a column of the pixel array 12. The circuit 13 selects the pixel 11 in the first row, then selects the pixel 11 in the second row, and selects the pixel 11 in the p-th row in order. That is, the circuit 13 has a function of scanning the pixel 11 in the horizontal direction.

なお、回路13および回路14には、様々な回路、例えば、デコーダやシフトレジスタなどが用いられる。 Various circuits such as a decoder and a shift register are used in the circuit 13 and the circuit 14.

回路15は、A/D変換回路としての機能を有する。画素11から出力されたアナログの撮像データをデジタルデータに変換する。 The circuit 15 has a function as an A / D conversion circuit. The analog imaging data output from the pixel 11 is converted into digital data.

本明細書において、「撮像データ」という用語は、画素に照射される光の照度に応じて画素から出力される信号を表す場合がある。また、単に「撮像データ」と記載した場合は、A/D変換前の撮像データを表す場合もあるし、A/D変換後の撮像データを表す場合もある。 In the present specification, the term "imaging data" may represent a signal output from a pixel depending on the illuminance of the light applied to the pixel. Further, when simply described as "imaging data", it may represent imaging data before A / D conversion, or may represent imaging data after A / D conversion.

回路16Aおよび回路16Bは、デジタルデータを保持する、ラインバッファとしての機能を有する。回路15から出力されたデジタルデータは、回路16Aまたは回路16Bに書き込まれて保持された後に読み出され、例えば信号処理LSIのフレームメモリなどに出力される。回路15から出力されたデジタルデータを、信号処理LSIのフレームメモリなどに直接出力するのではなく、回路16Aまたは回路16Bに保持してから出力することにより、例えば回路15と、信号処理LSIのフレームメモリなどとの駆動速度やアクセスタイミングなどが異なる場合であっても回路15から信号処理LSIのフレームメモリなどへデジタルデータを出力することができる。 The circuit 16A and the circuit 16B have a function as a line buffer for holding digital data. The digital data output from the circuit 15 is written to the circuit 16A or the circuit 16B, held, and then read, and output to, for example, a frame memory of a signal processing LSI. The digital data output from the circuit 15 is not directly output to the frame memory of the signal processing LSI, but is held in the circuit 16A or the circuit 16B and then output, for example, the circuit 15 and the frame of the signal processing LSI. Digital data can be output from the circuit 15 to the frame memory of the signal processing LSI even when the drive speed and access timing are different from those of the memory.

回路17Aは回路16Aの動作全般を制御する、コントロール回路としての機能を有する。また、回路17Bは回路16Bの動作全般を制御する、コントロール回路としての機能を有する。なお、回路17Aおよび回路17Bの機能の詳細は実施の形態3で後述する。 The circuit 17A has a function as a control circuit that controls the overall operation of the circuit 16A. Further, the circuit 17B has a function as a control circuit that controls the overall operation of the circuit 16B. The details of the functions of the circuit 17A and the circuit 17B will be described later in the third embodiment.

図1(B)は回路13、回路15、回路16Aおよび回路16Bの動作を表すタイミングチャートである。期間T1において、回路13がN行目(Nはp以下の自然数)の画素11を選択している最中に、N行目の画素11から出力された撮像データが回路15によりA/D変換される。また、N−1行目の画素11から出力され、A/D変換された撮像データは回路16Aに書き込まれる。また、N−2行目の画素11から出力された撮像データが回路16Bに保持されており、当該撮像データが回路16Bから読み出される。 FIG. 1B is a timing chart showing the operations of the circuit 13, the circuit 15, the circuit 16A and the circuit 16B. In the period T1, while the circuit 13 is selecting the pixel 11 in the Nth row (N is a natural number of p or less), the imaging data output from the pixel 11 in the Nth row is A / D converted by the circuit 15. Will be done. Further, the imaging data output from the pixel 11 on the N-1th line and A / D converted is written in the circuit 16A. Further, the imaging data output from the pixel 11 on the N-2th line is held in the circuit 16B, and the imaging data is read out from the circuit 16B.

次に、期間T2において、回路13がN+1行目の画素11を選択している最中に、N+1行目の画素11から出力された撮像データが回路15によりA/D変換され、期間T1で回路16Aに書き込まれたN−1行目の撮像データが読み出される。そして、期間T1でN行目の画素11から出力され、A/D変換された撮像データが回路16Bに書き込まれる。また、期間T3において、回路13がN+2行目の画素11を選択している最中に、N+2行目の画素11から出力された撮像データが回路15によりA/D変換される。そして、期間T2でN+1行目の画素11から出力され、A/D変換された撮像データが回路16Aに書き込まれ、期間T2で回路16Bに書き込まれたN行目の撮像データが読み出される。 Next, in the period T2, while the circuit 13 is selecting the pixel 11 in the N + 1 line, the imaging data output from the pixel 11 in the N + 1 line is A / D converted by the circuit 15, and in the period T1. The imaging data on the N-1th line written in the circuit 16A is read out. Then, the imaging data output from the pixel 11 on the Nth row in the period T1 and A / D converted is written in the circuit 16B. Further, in the period T3, while the circuit 13 is selecting the pixel 11 in the N + 2nd row, the imaging data output from the pixel 11 in the N + 2nd row is A / D converted by the circuit 15. Then, the imaging data output from the pixel 11 on the N + 1th row in the period T2 and A / D converted is written in the circuit 16A, and the imaging data in the Nth row written in the circuit 16B in the period T2 is read out.

このように、ラインバッファを複数(回路16A、回路16B)設けることにより、ラインバッファへの撮像データの書き込みと、ラインバッファからの撮像データの読み出しを並行して行うことができる。これにより、高速に動作する撮像装置10を提供することができる。 By providing a plurality of line buffers (circuit 16A, circuit 16B) in this way, it is possible to write the imaging data to the line buffer and read the imaging data from the line buffer in parallel. This makes it possible to provide an imaging device 10 that operates at high speed.

<ラインバッファ>
図2に、回路16Aおよび回路16Bの回路構成を示す。回路16Aは、回路20、回路30、回路40および回路50を有する。なお、回路16Bの構成は回路16Aの構成と同様である。
<Line buffer>
FIG. 2 shows the circuit configurations of the circuit 16A and the circuit 16B. Circuit 16A includes circuit 20, circuit 30, circuit 40 and circuit 50. The configuration of the circuit 16B is the same as that of the circuit 16A.

回路16Aと回路16Bは、配線61a(WBL)、配線61b(WBLB)、配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)により電気的に接続されている。また、回路20と、回路30と、回路40と、回路50とは配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)により電気的に接続されている。 The circuit 16A and the circuit 16B are electrically connected by wiring 61a (WBL), wiring 61b (WBLB), wiring 62a (RBL), and wiring 62b (RBLB). Further, the circuit 20, the circuit 30, the circuit 40, and the circuit 50 are electrically connected by the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB).

回路20は、書き込み・読み出し選択スイッチとしての機能を有する。回路30は、一時的に1ビットの撮像データを記憶する、ワーキングメモリとしての機能を有する。回路40は、ローカルビット線である配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)のプリチャージを行う、ローカルプリチャージ回路としての機能を有する。回路50は、nビット(nは2以上の整数)の撮像データを保持する、長期記憶メモリとしての機能を有する。 The circuit 20 has a function as a write / read selection switch. The circuit 30 has a function as a working memory that temporarily stores 1-bit imaging data. The circuit 40 has a function as a local precharge circuit that precharges the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB), which are local bit lines. The circuit 50 has a function as a long-term storage memory that holds n-bit (n is an integer of 2 or more) imaging data.

なお、nは例えば8、16、32などの値をとることができる。 Note that n can take values such as 8, 16 and 32.

配線61a(WBL)、配線61b(WBLB)、配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)は、グローバルビット線としての機能を有する。また、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)は、ローカルビット線としての機能を有する。なお、配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)には回路16Aまたは回路16Bに書き込まれる撮像データが入力され、配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)には回路16Aまたは回路16Bから読み出された撮像データが出力される。 The wiring 61a (WBL), the wiring 61b (WBLB), the wiring 62a (RBL), and the wiring 62b (RBLB) have a function as a global bit line. Further, the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB) have a function as a local bit line. The imaging data written in the circuit 16A or the circuit 16B is input to the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB), and is read from the circuit 16A or the circuit 16B in the wiring 62a (RBL) and the wiring 62b (RBLB). The captured imaging data is output.

以上のように、撮像データの書き込み用のグローバルビット線と、撮像データの読み出し用のグローバルビット線とを別とすることにより、図1(B)に示すように、回路16Aへの撮像データの書き込みと並行して、回路16Bに保持された撮像データの読み出しを行うことができる。また、回路16Aに保持された撮像データの読み出しと並行して、回路16Bへの撮像データの書き込みを行うことができる。 As described above, by separating the global bit line for writing the imaging data and the global bit line for reading the imaging data, as shown in FIG. 1B, the imaging data to the circuit 16A can be input. In parallel with the writing, the imaging data held in the circuit 16B can be read out. Further, the imaging data can be written to the circuit 16B in parallel with the reading of the imaging data held in the circuit 16A.

なお、配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)は相補データを伝送するためのビット線対である。また、配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)も相補データを伝送するためのビット線対である。つまり、配線61b(WBLB)は、配線61a(WBL)に入力されるデータの論理を反転したデータが入力され、配線62b(RBLB)は、配線62a(RBL)に出力されるデータの論理を反転したデータが出力される。 The wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB) are bit line pairs for transmitting complementary data. The wiring 62a (RBL) and the wiring 62b (RBLB) are also bit line pairs for transmitting complementary data. That is, the wiring 61b (WBLB) is input with data in which the logic of the data input to the wiring 61a (WBL) is inverted, and the wiring 62b (RBLB) is input with the logic of the data output to the wiring 62a (RBL) inverted. The data is output.

<書き込み・読み出し選択スイッチ>
回路20は、トランジスタ21と、トランジスタ22と、トランジスタ23と、トランジスタ24と、トランジスタ25と、トランジスタ26と、を有する。なお、トランジスタ21乃至トランジスタ26はすべてnチャネル型トランジスタとする。
<Write / read selection switch>
The circuit 20 includes a transistor 21, a transistor 22, a transistor 23, a transistor 24, a transistor 25, and a transistor 26. The transistors 21 to 26 are all n-channel transistors.

なお、本明細書ではnチャネル型トランジスタをn−ch型トランジスタ、pチャネル型トランジスタをp−ch型トランジスタと呼ぶことがある。 In the present specification, the n-channel transistor may be referred to as an n-ch transistor, and the p-channel transistor may be referred to as a p-ch transistor.

トランジスタ21のソースまたはドレインの一方は、配線61a(WBL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ21のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ23のゲートおよび配線63a(LBL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ21のゲートは、配線27(Wsw)と電気的に接続されている。また、トランジスタ22のソースまたはドレインの一方は、配線62b(RBLB)と電気的に接続されている。また、トランジスタ22のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ23のソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。また、トランジスタ22のゲートは、配線28(Rsw)と電気的に接続されている。また、トランジスタ23のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ26のソースまたはドレインの一方および配線29と電気的に接続されている。 One of the source and drain of the transistor 21 is electrically connected to the wiring 61a (WBL). Further, the other side of the source or drain of the transistor 21 is electrically connected to the gate and the wiring 63a (LBL) of the transistor 23. Further, the gate of the transistor 21 is electrically connected to the wiring 27 (Wsw). Further, one of the source and drain of the transistor 22 is electrically connected to the wiring 62b (RBLB). Further, the other side of the source or drain of the transistor 22 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 23. Further, the gate of the transistor 22 is electrically connected to the wiring 28 (Rsw). Further, the other side of the source or drain of the transistor 23 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 26 and the wiring 29.

なお、配線29には例えばLレベル電位を印加することができる。 For example, an L level potential can be applied to the wiring 29.

本明細書において、Hレベルは高電位を、Lレベルは低電位をそれぞれ示す。また、Lレベルは例えば接地電位とすることができる。 In the present specification, H level indicates a high potential and L level indicates a low potential. Further, the L level can be, for example, a ground potential.

また、トランジスタ24のソースまたはドレインの一方は、配線61b(WBLB)と電気的に接続されている。また、トランジスタ24のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ26のゲートおよび配線63b(LBLB)と電気的に接続されている。また、トランジスタ24のゲートは、配線27(Wsw)と電気的に接続されている。また、トランジスタ25のソースまたはドレインの一方は、配線62a(RBL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ25のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ26のソースまたはドレインの他方と電気的に接続されている。また、トランジスタ25のゲートは、配線28(Rsw)と電気的に接続されている。 Further, one of the source and drain of the transistor 24 is electrically connected to the wiring 61b (WBLB). Also, the other side of the source or drain of the transistor 24 is electrically connected to the gate and wiring 63b (LBLB) of the transistor 26. Further, the gate of the transistor 24 is electrically connected to the wiring 27 (Wsw). Further, one of the source and drain of the transistor 25 is electrically connected to the wiring 62a (RBL). Further, the other side of the source or drain of the transistor 25 is electrically connected to the other side of the source or drain of the transistor 26. Further, the gate of the transistor 25 is electrically connected to the wiring 28 (Rsw).

回路16Aが書き込み動作を行う場合は、トランジスタ21およびトランジスタ24をオンとする。これにより、配線61a(WBL)の撮像データが配線63a(LBL)に転送され、配線61b(WBLB)の撮像データが配線63b(LBLB)に転送される。 When the circuit 16A performs a writing operation, the transistor 21 and the transistor 24 are turned on. As a result, the imaging data of the wiring 61a (WBL) is transferred to the wiring 63a (LBL), and the imaging data of the wiring 61b (WBLB) is transferred to the wiring 63b (LBLB).

また、回路16Aが読み出し動作を行う場合は、トランジスタ22およびトランジスタ25をオンとする。これにより、配線63a(LBL)の撮像データに対応する信号の反転信号が配線62b(RBLB)に出力され、配線63b(LBLB)の撮像データに対応する信号の反転信号が配線62a(RBL)に出力される。 When the circuit 16A performs a read operation, the transistor 22 and the transistor 25 are turned on. As a result, the inverted signal of the signal corresponding to the imaging data of the wiring 63a (LBL) is output to the wiring 62b (RBLB), and the inverted signal of the signal corresponding to the imaging data of the wiring 63b (LBLB) is output to the wiring 62a (RBL). It is output.

<ワーキングメモリ>
回路30は、トランジスタ31と、トランジスタ32と、トランジスタ33と、トランジスタ34と、を有する。なお、トランジスタ31およびトランジスタ32はn−ch型トランジスタ、トランジスタ33およびトランジスタ34はp−ch型トランジスタとする。
<Working memory>
The circuit 30 includes a transistor 31, a transistor 32, a transistor 33, and a transistor 34. The transistor 31 and the transistor 32 are n-ch type transistors, and the transistor 33 and the transistor 34 are p-ch type transistors.

トランジスタ31のソースまたはドレインの一方、トランジスタ32のゲート、トランジスタ33のソースまたはドレインの一方およびトランジスタ34のゲートは、配線63a(LBL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ31のゲート、トランジスタ32のソースまたはドレインの一方、トランジスタ33のゲートおよびトランジスタ34のソースまたはドレインの一方は、配線63b(LBLB)と電気的に接続されている。 One of the source or drain of the transistor 31, the gate of the transistor 32, one of the source or drain of the transistor 33, and the gate of the transistor 34 are electrically connected to the wiring 63a (LBL). Further, one of the gate of the transistor 31 and the source or drain of the transistor 32, and one of the gate of the transistor 33 and the source or drain of the transistor 34 are electrically connected to the wiring 63b (LBLB).

また、トランジスタ31のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ32のソースまたはドレインの他方および配線35(VLL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ33のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ34のソースまたはドレインの他方および配線36(VHH)と電気的に接続されている。 Further, the other side of the source or drain of the transistor 31 is electrically connected to the other side of the source or drain of the transistor 32 and the wiring 35 (VLL). Further, the other side of the source or drain of the transistor 33 is electrically connected to the other side of the source or drain of the transistor 34 and the wiring 36 (VHH).

以上により、トランジスタ31とトランジスタ33によりインバータが構成され、トランジスタ32とトランジスタ34によりインバータが構成されている。これら2個のインバータの入力端子は、それぞれ他方の出力端子に電気的に接続されており、ラッチ回路が構成される。これにより、1ビットの撮像データを一時的に記憶することができる。また、回路30は差動増幅回路として機能し、撮像データを増幅して記憶することができる。 As described above, the inverter is composed of the transistor 31 and the transistor 33, and the inverter is composed of the transistor 32 and the transistor 34. The input terminals of these two inverters are electrically connected to the other output terminal, respectively, to form a latch circuit. As a result, 1-bit imaging data can be temporarily stored. Further, the circuit 30 functions as a differential amplifier circuit, and can amplify and store the imaging data.

回路30はラッチ回路を有しているため、回路30へのデータの書き込み速度および回路30からのデータの読み出し速度が、DRAMや不揮発性メモリなどと比較して速いという特徴を有する。 Since the circuit 30 has a latch circuit, it has a feature that the data writing speed to the circuit 30 and the data reading speed from the circuit 30 are faster than those of a DRAM, a non-volatile memory, or the like.

なお、トランジスタ31およびトランジスタ32は駆動トランジスタ(プルダウントランジスタ)としての機能を有する。また、トランジスタ33およびトランジスタ34はロードトランジスタ(プルアップトランジスタ)としての機能を有する。 The transistor 31 and the transistor 32 have a function as a drive transistor (pull-down transistor). Further, the transistor 33 and the transistor 34 have a function as a load transistor (pull-up transistor).

また、配線35(VLL)および配線36(VHH)は、2個のインバータに電源電位を供給する機能を有する。電源電位として、例えば配線35(VLL)にLレベル電位を、配線36(VHH)にHレベル電位をそれぞれ供給することができる。 Further, the wiring 35 (VLL) and the wiring 36 (VHH) have a function of supplying a power supply potential to the two inverters. As the power supply potential, for example, the L level potential can be supplied to the wiring 35 (VLL) and the H level potential can be supplied to the wiring 36 (VHH).

<ローカルプリチャージ回路>
回路40は、トランジスタ41と、トランジスタ42と、トランジスタ43と、を有する。なお、トランジスタ41乃至トランジスタ43はすべてn−ch型トランジスタとする。
<Local precharge circuit>
The circuit 40 includes a transistor 41, a transistor 42, and a transistor 43. The transistors 41 to 43 are all n-ch type transistors.

トランジスタ41のソースまたはドレインの一方およびトランジスタ42のソースまたはドレインの一方は、配線63a(LBL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ41のソースまたはドレインの他方およびトランジスタ43のソースまたはドレインの一方は、配線63b(LBLB)と電気的に接続されている。 One of the source or drain of the transistor 41 and one of the source or drain of the transistor 42 are electrically connected to the wiring 63a (LBL). Further, the other source or drain of the transistor 41 and one of the source or drain of the transistor 43 are electrically connected to the wiring 63b (LBLB).

また、トランジスタ41のゲート、トランジスタ42のゲートおよびトランジスタ43のゲートは、配線44(PC)と電気的に接続されている。また、トランジスタ42のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ43のソースまたはドレインの他方および配線45(VPC)と電気的に接続されている。 Further, the gate of the transistor 41, the gate of the transistor 42, and the gate of the transistor 43 are electrically connected to the wiring 44 (PC). Further, the other side of the source or drain of the transistor 42 is electrically connected to the other side of the source or drain of the transistor 43 and the wiring 45 (VPC).

トランジスタ41は、配線63a(LBL)と配線63b(LBLB)の電位を等しくする、イコライザーとしての機能を有する。また、トランジスタ42は、配線63a(LBL)のプリチャージ動作を制御する機能を有する。また、トランジスタ43は、配線63b(LBLB)のプリチャージ動作を制御する機能を有する。 The transistor 41 has a function as an equalizer that equalizes the potentials of the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB). Further, the transistor 42 has a function of controlling the precharge operation of the wiring 63a (LBL). Further, the transistor 43 has a function of controlling the precharge operation of the wiring 63b (LBLB).

また、配線44(PC)は、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)のプリチャージ動作制御用の信号を供給するための信号線としての機能を有する。また、配線45(VPC)は、プリチャージ電位を供給するための電源線としての機能を有する。 Further, the wiring 44 (PC) has a function as a signal line for supplying a signal for controlling the precharge operation of the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB). Further, the wiring 45 (VPC) has a function as a power supply line for supplying a precharge potential.

配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)をプリチャージする場合、例えば配線44(PC)の電位をHレベルとすることによりトランジスタ41、トランジスタ42およびトランジスタ43をオンとする。これにより、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)の電位を、配線45(VPC)の電位であるプリチャージ電位とすることができる。 When precharging the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB), for example, the transistor 41, the transistor 42, and the transistor 43 are turned on by setting the potential of the wiring 44 (PC) to the H level. As a result, the potentials of the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB) can be set to the precharge potential which is the potential of the wiring 45 (VPC).

なお、プリチャージ電位として例えば”VDD/2”とすることができる。ここで、Hレベル電位を”VHH”、Lレベル電位を”VLL”とすると、”VDD=VHH+VLL”と定義される。特に、Lレベル電位が接地電位である場合、”VDD”はHレベル電位を示す。 The precharge potential can be, for example, "VDD / 2". Here, assuming that the H level potential is "VHH" and the L level potential is "VLL", it is defined as "VDD = VHH + VLL". In particular, when the L level potential is the ground potential, "VDD" indicates the H level potential.

<長期記憶メモリ>
回路50は、n個の回路51を有する。また、1個の回路51は、回路52aと回路52bをそれぞれ1個ずつ有する。回路52aは、トランジスタ53aと、容量素子54aとを有する。また、回路52bは、トランジスタ53bと、容量素子54bとを有する。なお、図2ではトランジスタ53aおよびトランジスタ53bはn−ch型トランジスタとしているが、p−ch型としてもよい。
<Long-term memory>
The circuit 50 has n circuits 51. Further, one circuit 51 has one circuit 52a and one circuit 52b, respectively. The circuit 52a includes a transistor 53a and a capacitive element 54a. Further, the circuit 52b has a transistor 53b and a capacitance element 54b. Although the transistor 53a and the transistor 53b are n-ch type transistors in FIG. 2, they may be p-ch type.

つまり、回路50は回路51、回路52a、回路52b、トランジスタ53a、トランジスタ53b、容量素子54aおよび容量素子54bをそれぞれn個ずつ有する。 That is, the circuit 50 has n circuits 51, a circuit 52a, a circuit 52b, a transistor 53a, a transistor 53b, a capacitance element 54a, and a capacitance element 54b, respectively.

1個のトランジスタ53aのソースまたはドレインの一方は、1個の容量素子54aの一方の端子と電気的に接続されている。また、n個のトランジスタ53aのソースまたはドレインの他方は、1本の配線63a(LBL)と電気的に接続されている。 One of the source or drain of one transistor 53a is electrically connected to one terminal of one capacitive element 54a. Further, the other of the source or drain of the n transistors 53a is electrically connected to one wiring 63a (LBL).

また、1個のトランジスタ53bのソースまたはドレインの一方は、1個の容量素子54bの他方の端子と電気的に接続されている。また、n個のトランジスタ53bのソースまたはドレインの他方は、1本の配線63b(LBLB)と電気的に接続されている。 Further, one of the source and drain of one transistor 53b is electrically connected to the other terminal of one capacitive element 54b. Further, the other of the source or drain of the n transistors 53b is electrically connected to one wiring 63b (LBLB).

また、1個のトランジスタ53aのゲートおよび1個のトランジスタ53bのゲートは、1本の配線55(WL)と電気的に接続されている。つまり、配線55(WL)はn本設けられ、n個のトランジスタ53aのゲートおよびトランジスタ53bのゲートは、n本の互いに異なる配線55(WL)と電気的に接続されている。 Further, the gate of one transistor 53a and the gate of one transistor 53b are electrically connected to one wiring 55 (WL). That is, n wires 55 (WL) are provided, and the gates of the n transistors 53a and the gates of the transistors 53b are electrically connected to n different wires 55 (WL).

また、n個の容量素子54aの他方の端子およびn個の容量素子54bの一方の端子は、1本の配線56と電気的に接続されている。なお、配線56には例えばLレベル電位を印加することができる。 Further, the other terminal of the n capacitance elements 54a and one terminal of the n capacitance elements 54b are electrically connected to one wiring 56. For example, an L level potential can be applied to the wiring 56.

なお、n個の回路51、n個の回路52a、n個の回路52b、n個のトランジスタ53a、n個のトランジスタ53b、n個の容量素子54a、n個の容量素子54bおよびn本の配線55(WL)を、[0]、[1]、[n−1]などの符号を用いて区別する。 It should be noted that n circuits 51, n circuits 52a, n circuits 52b, n transistors 53a, n transistors 53b, n capacitive elements 54a, n capacitive elements 54b and n wirings. 55 (WL) is distinguished by using a code such as [0], [1], [n-1].

また、回路52aは配線63a(LBL)から転送された撮像データを保持する機能を有し、回路52bは配線63b(LBLB)から転送された撮像データを保持する機能を有する。つまり、回路51は1ビットの相補データを保持する機能を有する。 Further, the circuit 52a has a function of holding the image pickup data transferred from the wiring 63a (LBL), and the circuit 52b has a function of holding the image pickup data transferred from the wiring 63b (LBLB). That is, the circuit 51 has a function of holding 1-bit complementary data.

また、配線55(WL)はワード線としての機能を有する。つまり、書き込み動作または読み出し動作を行う回路51を選択する機能を有する。 Further, the wiring 55 (WL) has a function as a word line. That is, it has a function of selecting a circuit 51 that performs a write operation or a read operation.

ここで、トランジスタ53aおよびトランジスタ53bのオフ電流を低減することで、回路51の保持時間を長くすることができる。ここでいう、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときにソースとドレインとの間に流れる電流をいう。トランジスタがnチャネル型である場合、例えば、しきい値電圧が0V乃至2V程度であれば、ゲートとソース間の電圧が負の電圧であるときのソースとドレインとの間に流れる電流をオフ電流と呼ぶことができる。また、オフ電流が極めて小さいとは、例えば、チャネル幅1μmあたりのオフ電流が100zA(ゼプトアンペア)以下であることをいう。なお、オフ電流は小さいほど好ましいため、この規格化されたオフ電流が10zA/μm以下、あるいは1zA/μm以下とすることが好ましく、10yA(ヨクトアンペア)/μm以下であることがより好ましい。1zAは1×10−21Aであり、1yAは1×10−24Aである。 Here, by reducing the off-currents of the transistors 53a and 53b, the holding time of the circuit 51 can be lengthened. The off-current here means the current that flows between the source and the drain when the transistor is in the off state. When the transistor is an n-channel type, for example, when the threshold voltage is about 0V to 2V, the current flowing between the source and the drain when the voltage between the gate and the source is a negative voltage is turned off. Can be called. Further, the extremely small off-current means, for example, that the off-current per 1 μm of the channel width is 100 zA (zeptoampere) or less. Since the smaller the off current is, the more preferable it is. Therefore, the standardized off current is preferably 10 zA / μm or less, or 1 zA / μm or less, and more preferably 10 yA (yoctoampere) / μm or less. 1zA is 1 × 10 -21 A, 1yA is 1 × 10 -24 A.

このようにオフ電流を極めて小さくするには、トランジスタのチャネル形成領域をバンドギャップが広い半導体で形成すればよい。そのような半導体として、酸化物半導体が挙げられる。酸化物半導体のバンドギャップは3.0eV以上であるため、活性層または活性領域を酸化物半導体で形成したトランジスタ(以下、OSトランジスタと呼ぶ)は熱励起によるリーク電流が小さく、また、オフ電流が極めて小さい。OSトランジスタのチャネル形成領域は、インジウム(In)および亜鉛(Zn)の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このような酸化物半導体としては、In−M−Zn酸化物(元素Mは、例えばAl、Ga、YまたはSn)が代表的である。電子供与体(ドナー)となる水分または水素などの不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をi型(真性半導体)にする、あるいはi型に限りなく近づけることができる。ここでは、このような酸化物半導体は高純度化された酸化物半導体と呼ぶことができる。高純度化された酸化物半導体を適用することで、チャネル幅で規格化されたOSトランジスタのオフ電流を数yA/μm以上数zA/μm以下程度に低くすることができる。 In order to make the off-current extremely small in this way, the channel formation region of the transistor may be formed of a semiconductor having a wide bandgap. Examples of such semiconductors include oxide semiconductors. Since the bandgap of the oxide semiconductor is 3.0 eV or more, the transistor in which the active layer or the active region is formed of the oxide semiconductor (hereinafter referred to as OS transistor) has a small leakage current due to thermal excitation and an off current. Extremely small. The channel forming region of the OS transistor is preferably an oxide semiconductor containing at least one of indium (In) and zinc (Zn). As such an oxide semiconductor, In—M—Zn oxide (element M is, for example, Al, Ga, Y or Sn) is typical. By reducing impurities such as water or hydrogen that serve as electron donors, and also reducing oxygen deficiency, oxide semiconductors can be made i-type (intrinsic semiconductors) or as close as possible to i-type. .. Here, such an oxide semiconductor can be referred to as a highly purified oxide semiconductor. By applying a highly purified oxide semiconductor, the off-current of the OS transistor standardized by the channel width can be reduced to about several yA / μm or more and several zA / μm or less.

トランジスタ53aおよびトランジスタ53bをOSトランジスタとすることで、回路51の保持時間を長くすることができるので、回路51を不揮発性メモリ回路として用いることができる。これにより、リフレッシュ動作などを行わなくても、またはリフレッシュ動作などの頻度が極めて少なくても回路51にデータを長期間保持することができ、消費電力を削減することができる。また、OSトランジスタでは、オフ電流特性の温度依存性が小さい。そのため、高温(例えば、100℃以上)であっても、OSトランジスタの規格化されたオフ電流を100zA以下とすることができる。よって、回路51にOSトランジスタを適用することで、高温環境下であってもデータを消失せずに保持することができる。したがって、高温環境下でも高い信頼性を持つ撮像装置10を得ることができる。 By using the transistor 53a and the transistor 53b as an OS transistor, the holding time of the circuit 51 can be lengthened, so that the circuit 51 can be used as a non-volatile memory circuit. As a result, data can be retained in the circuit 51 for a long period of time even if the refresh operation or the like is not performed or the frequency of the refresh operation or the like is extremely low, and the power consumption can be reduced. Further, in the OS transistor, the temperature dependence of the off-current characteristic is small. Therefore, the normalized off current of the OS transistor can be set to 100 zA or less even at a high temperature (for example, 100 ° C. or higher). Therefore, by applying the OS transistor to the circuit 51, data can be retained without being lost even in a high temperature environment. Therefore, it is possible to obtain an image pickup apparatus 10 having high reliability even in a high temperature environment.

2個のトランジスタと2個の容量素子を有する1個の回路51により、1ビットの相補データを保持できる。つまり、ラッチ回路を有する回路30より1ビットあたりの占有面積が小さい。つまり、単位面積あたりの記憶容量が大きい。 One circuit 51 having two transistors and two capacitive elements can hold one bit of complementary data. That is, the occupied area per bit is smaller than that of the circuit 30 having the latch circuit. That is, the storage capacity per unit area is large.

以上、本発明の一態様のラインバッファである回路16は、DRAMや不揮発性メモリなどと比較して書き込み速度および読み出し速度が速いメモリである回路30と、回路30より単位面積あたりの記憶容量が大きい回路51と、を有する。以上より、回路16は、小型かつ高速な書き込み動作および読み出し動作が可能なラインバッファとすることができる。 As described above, the circuit 16 which is the line buffer of one aspect of the present invention has the circuit 30 which is a memory whose writing speed and reading speed are faster than those of a DRAM or a non-volatile memory, and the storage capacity per unit area is larger than that of the circuit 30. It has a large circuit 51 and. From the above, the circuit 16 can be a small line buffer capable of high-speed writing and reading operations.

なお、回路50に用いることができるメモリは、OSトランジスタを用いたメモリに限らない。例えば、OSトランジスタを用いない不揮発性メモリを回路50に用いることができる。 The memory that can be used in the circuit 50 is not limited to the memory that uses the OS transistor. For example, a non-volatile memory that does not use an OS transistor can be used for the circuit 50.

なお、回路16が書き込み動作と読み出し動作を同時に行わない場合、図3に示すように配線61a(WBL)と配線62b(RBLB)を1本の配線とし、配線61b(WBLB)と配線62a(RBL)を1本の配線とすることができる。このような構成とすることにより、撮像装置10が有する配線の数を減らすことができ、撮像装置10の小型化を行うことができる。 When the circuit 16 does not perform the write operation and the read operation at the same time, the wiring 61a (WBL) and the wiring 62b (RBLB) are made into one wiring as shown in FIG. 3, and the wiring 61b (WBLB) and the wiring 62a (RBL) are used. ) Can be one wiring. With such a configuration, the number of wires included in the image pickup apparatus 10 can be reduced, and the image pickup apparatus 10 can be miniaturized.

なお、例えば配線61a(WBL)と配線62b(RBLB)を1本の配線とし、配線61b(WBLB)と配線62a(RBL)は別々の配線としてもよい。また、例えば配線61b(WBLB)と配線62a(RBL)を1本の配線とし、配線61a(WBL)と配線62b(RBLB)を別々の配線としてもよい。 For example, the wiring 61a (WBL) and the wiring 62b (RBLB) may be one wiring, and the wiring 61b (WBLB) and the wiring 62a (RBL) may be separate wirings. Further, for example, the wiring 61b (WBLB) and the wiring 62a (RBL) may be used as one wiring, and the wiring 61a (WBL) and the wiring 62b (RBLB) may be used as separate wirings.

また、グローバルビット線としての機能を有する配線を、配線61a(WBL)、配線61b(WBLB)、配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)の他にさらに設けてもよい。 Further, wiring having a function as a global bit line may be further provided in addition to the wiring 61a (WBL), the wiring 61b (WBLB), the wiring 62a (RBL), and the wiring 62b (RBLB).

<デバイス構造>
撮像装置10において、回路50が有するトランジスタ53aおよびトランジスタ53bはOSトランジスタとし、他のトランジスタは、例えば活性層または活性領域をシリコンで形成したトランジスタ(以下、Siトランジスタと呼ぶ)などとすることができる。この場合、図4に示す回路16Aのデバイス構成例のように、回路20、回路30および回路40が形成されている領域上に、回路50を形成することができる。このような積層構造とすることで、撮像装置10の小型化を行うことができる。また、回路16Aの大容量化を行うことができる。
<Device structure>
In the image pickup apparatus 10, the transistor 53a and the transistor 53b included in the circuit 50 may be an OS transistor, and the other transistor may be, for example, a transistor having an active layer or an active region formed of silicon (hereinafter, referred to as a Si transistor). .. In this case, the circuit 50 can be formed on the region where the circuit 20, the circuit 30, and the circuit 40 are formed, as in the device configuration example of the circuit 16A shown in FIG. With such a laminated structure, the image pickup apparatus 10 can be miniaturized. Further, the capacity of the circuit 16A can be increased.

また、回路30が有するトランジスタのチャネル長およびチャネル幅を大きくすることができる。これにより、回路30が有するトランジスタのしきい値電圧のばらつきを低下させることができる。これにより、SNM(Static Noise Margin)が大きくなり、低電圧動作を行うことができる。 Further, the channel length and channel width of the transistor included in the circuit 30 can be increased. Thereby, the variation of the threshold voltage of the transistor included in the circuit 30 can be reduced. As a result, the SNM (Static Noise Margin) becomes large, and low-voltage operation can be performed.

なお、図4では回路16Aを、Siトランジスタを有する層(以下、Si層と呼ぶ)と、OSトランジスタを有する層(以下、OS層と呼ぶ)との2層構造としたが、これに限らない。例えば、OS層を2層形成してもよいし、3層以上形成してもよい。積層数を増加させることにより、図4に示す場合よりさらに撮像装置10を小型化し、回路16Aを大容量化することができる。 In FIG. 4, the circuit 16A has a two-layer structure consisting of a layer having a Si transistor (hereinafter referred to as a Si layer) and a layer having an OS transistor (hereinafter referred to as an OS layer), but the present invention is not limited to this. .. For example, two OS layers may be formed, or three or more layers may be formed. By increasing the number of layers, the image pickup apparatus 10 can be further miniaturized and the capacity of the circuit 16A can be increased as compared with the case shown in FIG.

なお、回路16Bは、回路16Aと同様のデバイス構造とすることができる。また、回路16AのSi層と回路16BのSi層を同じ層に設けることができる。また、回路16AのOS層と回路16BのOS層を同じ層に設けることができる。 The circuit 16B can have the same device structure as the circuit 16A. Further, the Si layer of the circuit 16A and the Si layer of the circuit 16B can be provided in the same layer. Further, the OS layer of the circuit 16A and the OS layer of the circuit 16B can be provided on the same layer.

<動作例>
次に、回路16Aの書き込み動作および読み出し動作について、図5および図6に示すタイミングチャートを用いて詳細な説明を行う。該タイミングチャートは、配線27(Wsw)、配線28(Rsw)、配線35(VLL)、配線36(VHH)、配線44(PC)、配線55(WL)、配線61a(WBL)、配線61b(WBLB)、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)の電位を示す。なお、回路16Bの書き込み動作および読み出し動作は、回路16Aの書き込み動作および読み出し動作と同様である。
<Operation example>
Next, the writing operation and the reading operation of the circuit 16A will be described in detail using the timing charts shown in FIGS. 5 and 6. The timing chart shows wiring 27 (Wsw), wiring 28 (Rsw), wiring 35 (VLL), wiring 36 (VHH), wiring 44 (PC), wiring 55 (WL), wiring 61a (WBL), wiring 61b ( WBLB), wiring 63a (LBL) and wiring 63b (LBLB). The write operation and read operation of the circuit 16B are the same as the write operation and read operation of the circuit 16A.

図5は回路16Aの書き込み動作を示すタイミングチャートである。時刻T00において、配線35(VLL)の電位をLレベルとし、配線36(VHH)の電位をHレベルとすることにより、回路30をアクティブとする。これにより、回路16Aが書き込み動作を行えるようになる。 FIG. 5 is a timing chart showing the writing operation of the circuit 16A. At time T00, the circuit 30 is activated by setting the potential of the wiring 35 (VLL) to the L level and the potential of the wiring 36 (VHH) to the H level. As a result, the circuit 16A can perform the writing operation.

時刻T01において、回路15によりA/D変換された撮像データが配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)に転送される。 At time T01, the A / D converted imaging data by the circuit 15 is transferred to the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB).

時刻T02において、配線27(Wsw)の電位をHレベルとすることにより、トランジスタ21およびトランジスタ24をオンとする。これにより、撮像データが配線61a(WBL)から配線63a(LBL)へ、配線61b(WBLB)から配線63b(LBLB)へそれぞれ転送され、回路30に撮像データが書き込まれる。また、配線55[0](WL[0])の電位をHレベルとすることにより、トランジスタ53a[0]およびトランジスタ53b[0]をオンとする。これにより、回路30に書き込まれた撮像データが、トランジスタ53a[0]を介して容量素子54a[0]に、トランジスタ53b[0]を介して容量素子54b[0]にそれぞれ書き込まれる。 At time T02, the transistor 21 and the transistor 24 are turned on by setting the potential of the wiring 27 (Wsw) to the H level. As a result, the imaging data is transferred from the wiring 61a (WBL) to the wiring 63a (LBL) and from the wiring 61b (WBLB) to the wiring 63b (LBLB), and the imaging data is written in the circuit 30. Further, the transistor 53a [0] and the transistor 53b [0] are turned on by setting the potential of the wiring 55 [0] (WL [0]) to the H level. As a result, the imaging data written in the circuit 30 is written to the capacitive element 54a [0] via the transistor 53a [0] and to the capacitive element 54b [0] via the transistor 53b [0].

なお、容量素子54b[0]に書き込まれたデータは、容量素子54a[0]に書き込まれた撮像データの論理を反転したデータである。つまり、容量素子54a[0]および容量素子54b[0]により1ビットの相補データを保持することができる。 The data written in the capacitive element 54b [0] is data in which the logic of the imaging data written in the capacitive element 54a [0] is inverted. That is, 1-bit complementary data can be held by the capacitive element 54a [0] and the capacitive element 54b [0].

時刻T03において、配線27(Wsw)の電位をLレベルとすることにより、トランジスタ21およびトランジスタ24をオフとする。これにより、配線61a(WBL)と配線63a(LBL)との電気的な接続が遮断され、配線61b(WBLB)と配線63b(LBLB)との電気的な接続が遮断される。これにより、回路30に書き込まれた撮像データは、配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)から独立することができる。 At time T03, the transistor 21 and the transistor 24 are turned off by setting the potential of the wiring 27 (Wsw) to the L level. As a result, the electrical connection between the wiring 61a (WBL) and the wiring 63a (LBL) is cut off, and the electrical connection between the wiring 61b (WBLB) and the wiring 63b (LBLB) is cut off. As a result, the imaging data written in the circuit 30 can be made independent of the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB).

時刻T04において、配線55[0](WL[0])をLレベルとすることにより、トランジスタ53a[0]およびトランジスタ53b[0]をオフとする。トランジスタ53a[0]およびトランジスタ53b[0]がオンとなっている時刻T02乃至時刻T04において、回路30から容量素子54a[0]および容量素子54b[0]に撮像データが書き込まれ続ける。 At time T04, the transistor 53a [0] and the transistor 53b [0] are turned off by setting the wiring 55 [0] (WL [0]) to the L level. At time T02 to time T04 when the transistor 53a [0] and the transistor 53b [0] are turned on, the imaging data is continuously written from the circuit 30 to the capacitive element 54a [0] and the capacitive element 54b [0].

時刻T11乃至時刻T14において、容量素子54a[1]および容量素子54b[1]に、新たな撮像データが書き込まれる。時刻T12において配線55[1](WL[1])の電位をHレベルとすることによりトランジスタ53a[1]およびトランジスタ53b[1]をオンとし、時刻T14において配線55[1](WL[1])の電位をLレベルとすることによりトランジスタ53a[1]およびトランジスタ53b[1]をオフとする。その他の動作は、時刻T01乃至時刻T04における動作と同様である。 At time T11 to time T14, new imaging data is written to the capacitive element 54a [1] and the capacitive element 54b [1]. Transistor 53a [1] and transistor 53b [1] are turned on by setting the potential of wiring 55 [1] (WL [1]) to H level at time T12, and wiring 55 [1] (WL [1]) is turned on at time T14. ]), The transistor 53a [1] and the transistor 53b [1] are turned off by setting the potential to the L level. Other operations are the same as the operations at time T01 to time T04.

このように、容量素子54a[0]および容量素子54b[0]から容量素子54a[n−1]および容量素子54b[n−1]まで順に撮像データを書き込む。時刻T21乃至時刻T24では、容量素子54a[n−1]および容量素子54b[n−1]に撮像データが書き込まれる。時刻T22において配線55[n−1](WL[n−1])の電位をHレベルとすることによりトランジスタ53a[n−1]およびトランジスタ53b[n−1]をオンとし、時刻T24において配線55[n−1](WL[n−1])の電位をLレベルとすることによりトランジスタ53a[n−1]およびトランジスタ53b[n−1]をオフとする。その他の動作は、時刻T01乃至時刻T04における動作と同様である。 In this way, the imaging data is written in order from the capacitive element 54a [0] and the capacitive element 54b [0] to the capacitive element 54a [n-1] and the capacitive element 54b [n-1]. At time T21 to time T24, imaging data is written to the capacitive element 54a [n-1] and the capacitive element 54b [n-1]. Transistor 53a [n-1] and transistor 53b [n-1] are turned on by setting the potential of wiring 55 [n-1] (WL [n-1]) to H level at time T22, and wiring is performed at time T24. The transistor 53a [n-1] and the transistor 53b [n-1] are turned off by setting the potential of 55 [n-1] (WL [n-1]) to the L level. Other operations are the same as the operations at time T01 to time T04.

時刻T30において、配線35(VLL)および配線36(VHH)の電位を”VDD/2”とする。これにより、回路30は非アクティブとなり、書き込み動作が終了する。なお、配線35(VLL)および配線36(VHH)の電位を配線55(WL)の電位に同期して制御することもできる。 At time T30, the potentials of the wiring 35 (VLL) and the wiring 36 (VHH) are set to "VDD / 2". As a result, the circuit 30 becomes inactive and the writing operation ends. The potentials of the wiring 35 (VLL) and the wiring 36 (VHH) can be controlled in synchronization with the potential of the wiring 55 (WL).

図6は回路16Aの読み出し動作を示すタイミングチャートである。図5に示す書き込み動作により容量素子54a[0]乃至容量素子54a[n−1]および容量素子54b[0]乃至容量素子54b[n−1]に保持された撮像データを読み出し、外部へ出力する。 FIG. 6 is a timing chart showing the read operation of the circuit 16A. By the writing operation shown in FIG. 5, the imaging data held in the capacitive element 54a [0] to the capacitive element 54a [n-1] and the capacitive element 54b [0] to the capacitive element 54b [n-1] are read out and output to the outside. To do.

時刻T01において、配線35(VLL)および配線36(VHH)の電位を”VDD/2”とすることにより、回路30を非アクティブとする。さらに、配線45(VPC)の電位を”VDD/2”とし、配線44(PC)の電位をHレベルとしてトランジスタ41、トランジスタ42およびトランジスタ43をオンとすることにより配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)を電位”VDD/2”にプリチャージする。以上により、回路16Aが読み出し動作を行えるようになる。なお、配線45(VPC)の電位は図6に示していない。 At time T01, the circuit 30 is deactivated by setting the potentials of the wiring 35 (VLL) and the wiring 36 (VHH) to "VDD / 2". Further, by setting the potential of the wiring 45 (VPC) to "VDD / 2" and setting the potential of the wiring 44 (PC) to the H level and turning on the transistor 41, the transistor 42, and the transistor 43, the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB) is precharged to the potential "VDD / 2". As described above, the circuit 16A can perform the read operation. The potential of the wiring 45 (VPC) is not shown in FIG.

時刻T02において、配線44(PC)の電位をLレベルとすることによりトランジスタ41、トランジスタ42およびトランジスタ43をオフとする。また、配線55[0](WL[0])の電位をHレベルとすることによりトランジスタ53a[0]およびトランジスタ53b[0]をオンとする。以上により、容量素子54a[0]に保持された撮像データが配線63a(LBL)に、容量素子54b[0]に保持された撮像データが配線63b(LBLB)にそれぞれ転送され、そして各撮像データは回路30に転送される。つまり、容量素子54a[0]および容量素子54b[0]に保持された1ビットの相補データが、回路30に転送される。 At time T02, the transistor 41, the transistor 42, and the transistor 43 are turned off by setting the potential of the wiring 44 (PC) to the L level. Further, the transistor 53a [0] and the transistor 53b [0] are turned on by setting the potential of the wiring 55 [0] (WL [0]) to the H level. As described above, the imaging data held in the capacitive element 54a [0] is transferred to the wiring 63a (LBL), the imaging data held in the capacitive element 54b [0] is transferred to the wiring 63b (LBLB), and each imaging data. Is transferred to circuit 30. That is, the 1-bit complementary data held in the capacitive element 54a [0] and the capacitive element 54b [0] is transferred to the circuit 30.

時刻T03において、配線35(VLL)の電位をLレベル、配線36(VHH)の電位をHレベルとすることにより、回路30をアクティブとする。回路30に転送された撮像データは相補データであるので、回路30は差動増幅回路として機能し、撮像データを増幅する。このため、容量素子54a[0]に保持された撮像データと、容量素子54b[0]に保持された撮像データとの電位差が小さくとも信頼性の高い読み出し動作ができる。また、読み出し動作を高速に行うことができる。 At time T03, the circuit 30 is activated by setting the potential of the wiring 35 (VLL) to the L level and the potential of the wiring 36 (VHH) to the H level. Since the imaging data transferred to the circuit 30 is complementary data, the circuit 30 functions as a differential amplifier circuit to amplify the imaging data. Therefore, even if the potential difference between the imaging data held in the capacitive element 54a [0] and the imaging data held in the capacitive element 54b [0] is small, highly reliable reading operation can be performed. In addition, the read operation can be performed at high speed.

時刻T04において、配線28(Rsw)の電位をHレベルとすることによりトランジスタ22およびトランジスタ25をオンとする。これにより、回路30に転送された撮像データに対応する信号の反転信号が配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)に出力され、撮像データが外部に読み出される。 At time T04, the transistor 22 and the transistor 25 are turned on by setting the potential of the wiring 28 (Rsw) to the H level. As a result, the inverted signal of the signal corresponding to the imaging data transferred to the circuit 30 is output to the wiring 62a (RBL) and the wiring 62b (RBLB), and the imaging data is read out to the outside.

なお、時刻T03乃至時刻T05において、回路30により増幅された撮像データは、容量素子54a[0]および容量素子54b[0]に再書き込みされる。これにより、撮像データが回路30から読み出された後も容量素子54a[0]および容量素子54b[0]に撮像データを保持し続けることができる。 At time T03 to time T05, the imaging data amplified by the circuit 30 is rewritten in the capacitive element 54a [0] and the capacitive element 54b [0]. As a result, the imaging data can be continuously held in the capacitance element 54a [0] and the capacitance element 54b [0] even after the imaging data is read out from the circuit 30.

時刻T05において、配線28(Rsw)および配線55[0](WL[0])の電位をLレベルとすることによりトランジスタ22、トランジスタ25、トランジスタ53a[0]およびトランジスタ53b[0]をオフとする。また、時刻T06において配線35(VLL)および配線36(VHH)の電位を”VDD/2”とすることにより回路30を非アクティブとする。 At time T05, the transistor 22, the transistor 25, the transistor 53a [0], and the transistor 53b [0] are turned off by setting the potential of the wiring 28 (Rsw) and the wiring 55 [0] (WL [0]) to the L level. To do. Further, at time T06, the circuit 30 is deactivated by setting the potentials of the wiring 35 (VLL) and the wiring 36 (VHH) to "VDD / 2".

時刻T11乃至時刻T16において、容量素子54a[1]および容量素子54b[1]に保持された撮像データが読み出される。時刻T12において配線55[1](WL[1])の電位をHレベルとすることによりトランジスタ53a[1]およびトランジスタ53b[1]をオンとし、時刻T15において配線55[1](WL[1])の電位をLレベルとすることによりトランジスタ53a[1]およびトランジスタ53b[1]をオフとする。その他の動作は、時刻T01乃至時刻T06における動作と同様である。 At time T11 to time T16, the imaging data held by the capacitive element 54a [1] and the capacitive element 54b [1] are read out. Transistor 53a [1] and transistor 53b [1] are turned on by setting the potential of wiring 55 [1] (WL [1]) to H level at time T12, and wiring 55 [1] (WL [1]) is turned on at time T15. ]), The transistor 53a [1] and the transistor 53b [1] are turned off by setting the potential to the L level. Other operations are the same as the operations at time T01 to time T06.

このように、容量素子54a[0]および容量素子54b[0]から容量素子54a[n−1]および容量素子54b[n−1]まで順に撮像データを読み出す。時刻T21乃至時刻T26では、容量素子54a[n−1]および容量素子54b[n−1]に保持された撮像データが読み出される。時刻T22において配線55[n−1](WL[n−1])の電位をHレベルとすることによりトランジスタ53a[n−1]およびトランジスタ53b[n−1]をオンとし、時刻T25において配線55[n−1](WL[n−1])の電位をLレベルとすることによりトランジスタ53a[n−1]およびトランジスタ53b[n−1]をオフとする。その他の動作は、時刻T01乃至時刻T06における動作と同様である。 In this way, the imaging data is read out in order from the capacitive element 54a [0] and the capacitive element 54b [0] to the capacitive element 54a [n-1] and the capacitive element 54b [n-1]. At time T21 to time T26, the imaging data held in the capacitive element 54a [n-1] and the capacitive element 54b [n-1] are read out. Transistor 53a [n-1] and transistor 53b [n-1] are turned on by setting the potential of wiring 55 [n-1] (WL [n-1]) to H level at time T22, and wiring is performed at time T25. The transistor 53a [n-1] and the transistor 53b [n-1] are turned off by setting the potential of 55 [n-1] (WL [n-1]) to the L level. Other operations are the same as the operations at time T01 to time T06.

図5に示す書き込み動作および図6に示す読み出し動作において、トランジスタ53a[0]乃至トランジスタ53a[n−1]およびトランジスタ53b[0]乃至トランジスタ53b[n−1]がオフの間は、容量素子54a[0]乃至容量素子54a[n−1]および容量素子54b[0]乃至容量素子54b[n−1]に書き込まれた撮像データは電力を消費せずに保持される。したがって、低消費電力の撮像装置10を提供することができる。 In the write operation shown in FIG. 5 and the read operation shown in FIG. 6, the capacitive element is while the transistors 53a [0] to 53a [n-1] and the transistors 53b [0] to 53b [n-1] are off. The imaging data written in the capacitance elements 54a [0] to the capacitance elements 54a [n-1] and the capacitance elements 54b [0] to the capacitance elements 54b [n-1] are held without consuming power. Therefore, it is possible to provide the image pickup device 10 with low power consumption.

<電位生成回路>
図7(A)に、配線36(VHH)に印加する電位、および配線35(VLL)に印加する電位を生成するための回路70の構成例を示す。回路70は、トランジスタ71と、トランジスタ72と、トランジスタ73と、トランジスタ74とを有する。なお、トランジスタ71およびトランジスタ72はp−ch型トランジスタで、トランジスタ73およびトランジスタ74はn−ch型トランジスタである。
<Potential generation circuit>
FIG. 7A shows a configuration example of the circuit 70 for generating the potential applied to the wiring 36 (VHH) and the potential applied to the wiring 35 (VLL). The circuit 70 includes a transistor 71, a transistor 72, a transistor 73, and a transistor 74. The transistor 71 and the transistor 72 are p-ch type transistors, and the transistor 73 and the transistor 74 are n-ch type transistors.

トランジスタ71のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ72のソースまたはドレインの一方および配線36(VHH)と電気的に接続されている。また、トランジスタ71のソースまたはドレインの他方は、配線76(H)と電気的に接続されている。また、トランジスタ72のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ73のソースまたはドレインの一方および配線78(VDD/2)と電気的に接続されている。また、トランジスタ73のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ74のソースまたはドレインの一方および配線35(VLL)と電気的に接続されている。また、トランジスタ74のソースまたはドレインの他方は、配線77(L)と電気的に接続されている。 One of the source or drain of the transistor 71 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 72 and the wiring 36 (VHH). Further, the other side of the source or drain of the transistor 71 is electrically connected to the wiring 76 (H). Further, the other side of the source or drain of the transistor 72 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 73 and the wiring 78 (VDD / 2). Further, the other side of the source or drain of the transistor 73 is electrically connected to one of the source or drain of the transistor 74 and the wiring 35 (VLL). Further, the other side of the source or drain of the transistor 74 is electrically connected to the wiring 77 (L).

なお、配線76(H)には、例えばHレベル電位を印加することができる。また、配線77(L)には、例えばLレベル電位を印加することができる。また、配線78(VDD/2)には、例えば電位VDD/2を印加することができる。 For example, an H level potential can be applied to the wiring 76 (H). Further, for example, an L level potential can be applied to the wiring 77 (L). Further, for example, the potential VDD / 2 can be applied to the wiring 78 (VDD / 2).

また、トランジスタ72およびトランジスタ74のゲートは、配線75a(SOa)と電気的に接続されている。また、トランジスタ71およびトランジスタ73のゲートは、配線75b(SOb)と電気的に接続されている。 Further, the gates of the transistor 72 and the transistor 74 are electrically connected to the wiring 75a (SOa). Further, the gates of the transistor 71 and the transistor 73 are electrically connected to the wiring 75b (SOb).

配線75a(SOa)にHレベル電位が印加されている場合は、配線75b(SOb)にLレベル電位を印加することができる。この場合、配線36(VHH)の電位は配線76(H)の電位(例えばHレベル)となり、配線35(VLL)の電位は配線77(L)の電位(例えばLレベル)となる。つまり、回路30はアクティブとなる。また、配線75a(SOa)にLレベル電位が印加されている場合は、配線75b(SOb)にHレベル電位を印加することができる。この場合、配線36(VHH)および配線35(VLL)の電位は配線78(VDD/2)の電位となる。つまり、回路30は非アクティブとなる。 When the H level potential is applied to the wiring 75a (SOa), the L level potential can be applied to the wiring 75b (SOb). In this case, the potential of the wiring 36 (VHH) becomes the potential of the wiring 76 (H) (for example, H level), and the potential of the wiring 35 (VLL) becomes the potential of the wiring 77 (L) (for example, L level). That is, the circuit 30 becomes active. Further, when the L level potential is applied to the wiring 75a (SOa), the H level potential can be applied to the wiring 75b (SOb). In this case, the potentials of the wiring 36 (VHH) and the wiring 35 (VLL) are the potentials of the wiring 78 (VDD / 2). That is, the circuit 30 becomes inactive.

図6に示す読み出し動作では、回路30と回路50との間の撮像データの転送に連動して、配線36(VHH)および配線35(VLL)に印加する電位を変化させている。選択された配線55(WL)の電位がHレベルとなるタイミングと、Lレベルとなるタイミングとに連動して、配線36(VHH)および配線35(VLL)に印加する電位を変動することが好ましい。これにより、撮像装置10の応答速度を低下させることなく、可能な限り長い期間回路30を非アクティブ状態にすることができる。したがって、低消費電力の撮像装置10を提供することができる。 In the read operation shown in FIG. 6, the potentials applied to the wiring 36 (VHH) and the wiring 35 (VLL) are changed in conjunction with the transfer of the imaging data between the circuit 30 and the circuit 50. It is preferable to change the potentials applied to the wiring 36 (VHH) and the wiring 35 (VLL) in conjunction with the timing when the potential of the selected wiring 55 (WL) becomes the H level and the timing when the potential becomes the L level. .. As a result, the circuit 30 can be inactive for as long as possible without slowing down the response speed of the imaging device 10. Therefore, it is possible to provide the image pickup device 10 with low power consumption.

なお、図5に示す書き込み動作においても、回路30と回路50との間の撮像データの転送に連動して、配線36(VHH)および配線35(VLL)に印加する電位を変化させることができる。これにより、撮像装置10の消費電力をさらに低減することができる。 Also in the writing operation shown in FIG. 5, the potentials applied to the wiring 36 (VHH) and the wiring 35 (VLL) can be changed in conjunction with the transfer of the imaging data between the circuit 30 and the circuit 50. .. As a result, the power consumption of the image pickup apparatus 10 can be further reduced.

図7(B)は、回路70の動作例を示すタイミングチャートである。該タイミングチャートは、配線55(WL)、配線75a(SOa)、配線75b(SOb)、配線36(VHH)および配線35(VLL)の電位を示す。ここで、配線55(WL)の電位がHレベルとは、配線55[0](WL[0])乃至配線55[n−1](WL[n−1])のいずれか1本の配線にHレベル電位が印加されたことを示す。また、配線55(WL)の電位がLレベルとは、配線55[0](WL[0])乃至配線55[n−1](WL[n−1])のすべてにLレベル電位が印加されたことを示す。 FIG. 7B is a timing chart showing an operation example of the circuit 70. The timing chart shows the potentials of wiring 55 (WL), wiring 75a (SOa), wiring 75b (SOb), wiring 36 (VHH) and wiring 35 (VLL). Here, the potential of the wiring 55 (WL) is H level, which means that one of the wirings 55 [0] (WL [0]) to 55 [n-1] (WL [n-1]). It shows that the H level potential was applied to. Further, the potential of the wiring 55 (WL) is L level, and the L level potential is applied to all of the wiring 55 [0] (WL [0]) to the wiring 55 [n-1] (WL [n-1]). Indicates that it was done.

配線75a(SOa)の電位がHレベルとなるタイミングは、配線55(WL)の電位がHレベルとなるタイミングよりも時間Td1遅延し、配線75a(SOa)の電位がLレベルとなるタイミングは、配線55(WL)の電位がLレベルとなるタイミングよりも時間Td2遅延している。時間Td1は時間Td2と同じでも、異なっていてもよい。 The timing when the potential of the wiring 75a (SOa) becomes the H level is delayed by T d1 from the timing when the potential of the wiring 55 (WL) becomes the H level, and the timing when the potential of the wiring 75a (SOa) becomes the L level is , The time T d2 is delayed from the timing when the potential of the wiring 55 (WL) reaches the L level. The time T d1 may be the same as or different from the time T d2 .

以上のように回路70を動作させることで、回路50が有するn個の回路51のうちいずれか1個が選択状態になった後に、直ちに回路30をアクティブ状態にすることができる。また、回路50が有するn個の回路51をすべて非選択状態にした後に、直ちに回路30を非アクティブ状態にすることができる。 By operating the circuit 70 as described above, the circuit 30 can be immediately activated after any one of the n circuits 51 of the circuit 50 is in the selected state. Further, the circuit 30 can be immediately deactivated after deselecting all the n circuits 51 of the circuit 50.

本実施の形態は撮像装置に限らず、他の半導体装置に適用することができる。例えば、記憶装置に本実施の形態を適用することができる。 This embodiment is not limited to the imaging device, and can be applied to other semiconductor devices. For example, the present embodiment can be applied to a storage device.

なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。または、他の実施の形態において、本発明の一態様について述べる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。 In the present embodiment, one aspect of the present invention has been described. Alternatively, in another embodiment, one aspect of the present invention will be described. However, one aspect of the present invention is not limited to these. That is, since various aspects of the invention are described in this embodiment and other embodiments, one aspect of the present invention is not limited to a specific aspect. For example, as one aspect of the present invention, an example is shown in which a transistor channel forming region, a source / drain region, and the like have an oxide semiconductor, but one aspect of the present invention is not limited to this. In some cases, or depending on the circumstances, the various transistors in one aspect of the invention, the transistor channel forming regions, the transistor source / drain regions, and the like may have different semiconductors. In some cases, or depending on the circumstances, the various transistors in one aspect of the invention, the channel formation region of the transistor, the source / drain region of the transistor, etc., are, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide. It may have at least one such as arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphorus, gallium nitride, or an organic semiconductor. Or, for example, in some cases, or depending on the circumstances, the various transistors in one embodiment of the present invention, the channel formation region of the transistor, the source / drain region of the transistor, etc. may not have an oxide semiconductor. Good.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in combination with the configurations described in the other embodiments as appropriate.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で示した回路20、回路40および回路50の変形例について図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, modifications of the circuit 20, the circuit 40, and the circuit 50 shown in the first embodiment will be described with reference to the drawings.

<書き込み・読み出し選択スイッチ>
図8(A)は、図2に示す回路20が有するトランジスタ21乃至トランジスタ26をp−ch型とした構成である。必要に応じて、配線27(Wsw)、配線28(Rsw)および配線29に印加する電位の大小関係を逆にすることなどにより、動作は図5および図6を参照することができる。なお、トランジスタ21乃至トランジスタ26のうち、一部のトランジスタをp−ch型に置き換えてもよい。
<Write / read selection switch>
FIG. 8A shows a configuration in which the transistors 21 to 26 included in the circuit 20 shown in FIG. 2 are of the p-ch type. If necessary, the operation can be referred to with reference to FIGS. 5 and 6 by reversing the magnitude relation of the potentials applied to the wiring 27 (Wsw), the wiring 28 (Rsw), and the wiring 29. Of the transistors 21 to 26, some of the transistors may be replaced with the p-ch type.

図8(B)は、図2に示す回路20からトランジスタ23およびトランジスタ26を除いた構成である。このような構成とすることにより、撮像装置10が有するトランジスタの数を減らすことができるので、撮像装置10を小型化することができる。一方、図2に示す回路20は、図8(B)に示す回路20に比べて、読み出し動作の際、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)の負荷が小さいため、読み出し速度を速くすることができる。 FIG. 8B is a configuration in which the transistor 23 and the transistor 26 are removed from the circuit 20 shown in FIG. With such a configuration, the number of transistors included in the image pickup apparatus 10 can be reduced, so that the image pickup apparatus 10 can be miniaturized. On the other hand, the circuit 20 shown in FIG. 2 has a smaller load on the wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB) during the reading operation than the circuit 20 shown in FIG. 8B, so that the reading speed is increased. be able to.

<ローカルプリチャージ回路>
図9(A)は、図2に示す回路40が有するトランジスタ41乃至トランジスタ43をp−ch型とした構成である。必要に応じて、配線44(PC)および配線45(VPC)に印加する電位の大小関係を逆にすることなどにより、動作は図5および図6を参照することができる。なお、トランジスタ41乃至トランジスタ43のうち、一部のトランジスタをp−ch型に置き換えてもよい。
<Local precharge circuit>
FIG. 9A shows a configuration in which the transistors 41 to 43 included in the circuit 40 shown in FIG. 2 are of the p-ch type. If necessary, the operation can be referred to with reference to FIGS. 5 and 6 by reversing the magnitude relationship of the potentials applied to the wiring 44 (PC) and the wiring 45 (VPC). Of the transistors 41 to 43, some of the transistors may be replaced with the p-ch type.

図9(B)は、図2に示す回路40からトランジスタ42およびトランジスタ43を除いた構成である。つまり、回路40をトランジスタ41単体の簡易回路イコライザー構成とすることができる。なお、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)のプリチャージは行わない。 FIG. 9B shows a configuration in which the transistor 42 and the transistor 43 are removed from the circuit 40 shown in FIG. That is, the circuit 40 can have a simple circuit equalizer configuration of a single transistor 41. The wiring 63a (LBL) and the wiring 63b (LBLB) are not precharged.

図9(C)は、図2に示す回路40からトランジスタ41を除いた構成である。つまり、イコライザーとして機能するトランジスタ41は省略してもよい。 FIG. 9C shows a configuration in which the transistor 41 is removed from the circuit 40 shown in FIG. That is, the transistor 41 that functions as an equalizer may be omitted.

回路40を図9(B)または図9(C)に示す構成とすることにより、撮像装置10が有するトランジスタの数を減らすことができる。これにより、撮像装置10を小型化することができる。 By configuring the circuit 40 as shown in FIG. 9B or FIG. 9C, the number of transistors included in the image pickup apparatus 10 can be reduced. As a result, the imaging device 10 can be miniaturized.

<長期記憶メモリ>
図2に示す回路50では、回路52aと回路52bにより回路51を構成しているが、図10に示すように回路51を、回路52aおよび回路52bに示す構成の回路を1個だけ有する構成としてもよい。
<Long-term memory>
In the circuit 50 shown in FIG. 2, the circuit 51 is composed of the circuit 52a and the circuit 52b, but as shown in FIG. 10, the circuit 51 has only one circuit having the configuration shown in the circuit 52a and the circuit 52b. May be good.

回路51は、トランジスタ53と、容量素子54とを有する。つまり、回路50がm個(mは2以上の整数)の回路51を有する場合、回路50はトランジスタ53と容量素子54をそれぞれm個ずつ有する。なお、図10ではトランジスタ53はn−ch型トランジスタとしているが、p−ch型トランジスタとしてもよい。 The circuit 51 includes a transistor 53 and a capacitive element 54. That is, when the circuit 50 has m circuits 51 (m is an integer of 2 or more), the circuit 50 has m transistors 53 and m capacitance elements 54, respectively. Although the transistor 53 is an n-ch type transistor in FIG. 10, it may be a p-ch type transistor.

1個のトランジスタ53のソースまたはドレインの一方は、1個の容量素子54の一方の端子と電気的に接続されている。また、m個のトランジスタ53のソースまたはドレインの他方は、ローカルビット線としての機能を有する1本の配線63a(LBL)または配線63b(LBLB)と電気的に接続されている。また、m個の容量素子54の他方の端子は、1本の配線56と電気的に接続されている。 One of the source or drain of one transistor 53 is electrically connected to one terminal of one capacitive element 54. Further, the other of the source or drain of the m transistors 53 is electrically connected to one wiring 63a (LBL) or wiring 63b (LBLB) having a function as a local bit line. Further, the other terminal of the m capacitance elements 54 is electrically connected to one wiring 56.

また、1個のトランジスタ53のゲートは、1本の配線55(WL)と電気的に接続されている。つまり、配線55(WL)はm本設けられている。 Further, the gate of one transistor 53 is electrically connected to one wiring 55 (WL). That is, m wires 55 (WL) are provided.

回路50が有するトランジスタおよび容量素子の数が等しい場合、図10に示す構成の回路50では、図2に示す構成の回路50の2倍の容量の撮像データを保持することができる。これにより、撮像装置10が有するトランジスタの数を減らすことができるので、撮像装置10を小型化することができる。一方、図2に示す構成の回路50は、前述のように相補データを保持することができるので、撮像データの読み出し時に回路30が撮像データを増幅することができる。これにより、回路50が図2に示す構成の場合は、回路50が図10に示す構成の場合より読み出し速度を速くすることができる。 When the number of transistors and capacitive elements of the circuit 50 is equal, the circuit 50 having the configuration shown in FIG. 10 can hold imaging data having twice the capacitance of the circuit 50 having the configuration shown in FIG. As a result, the number of transistors included in the image pickup apparatus 10 can be reduced, so that the image pickup apparatus 10 can be miniaturized. On the other hand, since the circuit 50 having the configuration shown in FIG. 2 can hold complementary data as described above, the circuit 30 can amplify the imaging data when reading the imaging data. As a result, when the circuit 50 has the configuration shown in FIG. 2, the reading speed can be increased as compared with the case where the circuit 50 has the configuration shown in FIG.

図11(A)、(B)は、図2に示す回路50が有するトランジスタ53aおよびトランジスタ53bにバックゲートを設けた構成である。図11(A)はバックゲートに定電位を印加する構成であり、しきい値電圧を制御することができる。また、図11(B)はフロントゲートと同じ電位がバックゲートに印加される構成であり、オン電流を増加させることができる。 11 (A) and 11 (B) show a configuration in which a back gate is provided in the transistor 53a and the transistor 53b included in the circuit 50 shown in FIG. FIG. 11A shows a configuration in which a constant potential is applied to the back gate, and the threshold voltage can be controlled. Further, FIG. 11B has a configuration in which the same potential as that of the front gate is applied to the back gate, and the on-current can be increased.

また、回路20、回路30および回路40が有するトランジスタにバックゲートを設けてもよい。また、回路70が有するトランジスタにバックゲートを設けてもよい。 Further, a back gate may be provided in the transistors included in the circuit 20, the circuit 30, and the circuit 40. Further, a back gate may be provided in the transistor included in the circuit 70.

図12は、図2に示す構成の回路16Aにおいて、トランジスタ21、トランジスタ22、トランジスタ24、トランジスタ25、トランジスタ41、トランジスタ42、トランジスタ43、トランジスタ53aおよびトランジスタ53bをスイッチに置き換えた構成である。以上のトランジスタは、スイッチング機能を有していればトランジスタに限らず任意の素子を用いることができる。なお、トランジスタ21、トランジスタ22、トランジスタ24、トランジスタ25、トランジスタ41、トランジスタ42、トランジスタ43、トランジスタ53aおよびトランジスタ53bのうち一部をトランジスタとし、残りをスイッチング機能を有する他の素子としてもよい。また、回路16Bにおいても、以上のトランジスタのすべてまたは一部をスイッチング機能を有する他の素子に置き換えてもよい。 FIG. 12 shows a configuration in which the transistor 21, the transistor 22, the transistor 24, the transistor 25, the transistor 41, the transistor 42, the transistor 43, the transistor 53a, and the transistor 53b are replaced with switches in the circuit 16A having the configuration shown in FIG. The above-mentioned transistor is not limited to the transistor as long as it has a switching function, and any element can be used. A part of the transistor 21, the transistor 22, the transistor 24, the transistor 25, the transistor 41, the transistor 42, the transistor 43, the transistor 53a and the transistor 53b may be a transistor, and the rest may be another element having a switching function. Further, also in the circuit 16B, all or a part of the above transistors may be replaced with other elements having a switching function.

なお、図2、図8乃至図12に示す構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。 The configurations shown in FIGS. 2 and 8 to 12 can be arbitrarily combined.

また、本実施の形態は撮像装置に限らず、他の半導体装置に適用することができる。例えば、記憶装置に本実施の形態を適用することができる。 Further, the present embodiment is not limited to the imaging device, and can be applied to other semiconductor devices. For example, the present embodiment can be applied to a storage device.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with the configurations described in the other embodiments as appropriate.

(実施の形態3)
本実施の形態では、図1に示す回路16および回路17の詳細なシステム構成例について、図面を用いて説明する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a detailed system configuration example of the circuit 16 and the circuit 17 shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings.

なお、実施の形態1と同様に、1個の回路16Aまたは回路16Bが有する回路50は、nビットの撮像データを保持する機能を有するとする。 As in the first embodiment, it is assumed that the circuit 50 included in one circuit 16A or circuit 16B has a function of holding n-bit imaging data.

図13は、図1に示す回路16A、回路16B、回路17Aおよび回路17Bのシステム構成例を示すブロック図である。撮像装置10は回路16A、回路16B、回路17Aおよび回路17Bをそれぞれjバンク分(jは自然数)だけ有する。 FIG. 13 is a block diagram showing a system configuration example of the circuit 16A, the circuit 16B, the circuit 17A, and the circuit 17B shown in FIG. The image pickup apparatus 10 has a circuit 16A, a circuit 16B, a circuit 17A, and a circuit 17B for each j bank (j is a natural number).

なお、jは例えば4、8、16などの値をとることができる。 Note that j can take values such as 4, 8 and 16.

なお、バンクとは、領域80に示すような回路16A、回路16B、回路17Aおよび回路17Bの組を表す。 The bank represents a set of a circuit 16A, a circuit 16B, a circuit 17A, and a circuit 17B as shown in the area 80.

1バンクあたり回路17Aと回路17Bは1個ずつ設けられるので、撮像装置10は回路17Aと回路17Bをそれぞれj個ずつ有する。なお、1個の回路17Aは、1バンク分のすべての回路16Aと、n本の配線55(WL)により電気的に接続されている。また、1個の回路17Bは、1バンク分のすべての回路16Bと、n本の配線55(WL)により電気的に接続されている。 Since one circuit 17A and one circuit 17B are provided for each bank, the image pickup apparatus 10 has j circuits 17A and one circuit 17B each. One circuit 17A is electrically connected to all the circuits 16A for one bank by n wirings 55 (WL). Further, one circuit 17B is electrically connected to all the circuits 16B for one bank by n wirings 55 (WL).

また、回路16Aおよび回路16Bは、列ごとに配線61a(WBL)、配線61b(WBLB)、配線62a(RBL)および配線62b(RBLB)により互いに電気的に接続されている。また、j個の回路17Aは、1本の配線81A(Wsw_enA)および1本の配線82A(Rsw_enA)により互いに電気的に接続されている。また、j個の回路17Bは、1本の配線81B(Wsw_enB)および1本の配線82B(Rsw_enB)により互いに電気的に接続されている。 Further, the circuit 16A and the circuit 16B are electrically connected to each other by wiring 61a (WBL), wiring 61b (WBLB), wiring 62a (RBL) and wiring 62b (RBLB) for each row. Further, the j circuits 17A are electrically connected to each other by one wiring 81A (Wsw_enA) and one wiring 82A (Rsw_enA). Further, the j circuits 17B are electrically connected to each other by one wiring 81B (Wsw_enB) and one wiring 82B (Rsw_enB).

また、1個の回路17Aには、1本の配線83(BS)、1本の配線84(BS+)およびn本の配線85(BW)が電気的に接続されている。また、1個の回路17Bには、1本の配線83(BS)、1本の配線84(BS+)およびn本の配線85(BW)が電気的に接続されている。 Further, one wiring 83 (BS), one wiring 84 (BS +), and n wirings 85 (BW) are electrically connected to one circuit 17A. Further, one wiring 83 (BS), one wiring 84 (BS +) and n wirings 85 (BW) are electrically connected to one circuit 17B.

なお、jバンク分の回路16A、回路16B、回路17A、回路17B、配線83(BS)および配線84(BS+)を、_0、_1、_j−1などの符号を用いて区別する。また、n本の配線85(BW)を、[0]、[1]、[n−1]などの符号を用いて区別する。 The circuit 16A, the circuit 16B, the circuit 17A, the circuit 17B, the wiring 83 (BS) and the wiring 84 (BS +) for the j bank are distinguished by using a code such as _0, _1 or _j-1. Further, n wirings 85 (BW) are distinguished by using reference numerals such as [0], [1], and [n-1].

なお、1バンク分の回路16Aと回路17Aはn本の配線55(WL)により電気的に接続されているので、配線55(WL)は合計n×j本設けられている。これらを、_0[0]、_0[n−1]、_j−1[0]、_j−1[n−1]などの符号を用いて区別する。なお、回路16Bと回路17Bを電気的に接続している配線55(WL)も同様の符号を用いて区別する。 Since the circuit 16A and the circuit 17A for one bank are electrically connected by n wirings 55 (WL), a total of n × j wirings 55 (WL) are provided. These are distinguished by using symbols such as _0 [0], _0 [n-1], _j-1 [0], and _j-1 [n-1]. The wiring 55 (WL) that electrically connects the circuit 16B and the circuit 17B is also distinguished by using the same reference numerals.

配線81A(Wsw_enA)は、回路16Aが有する回路30への撮像データの書き込み動作を制御し、配線81B(Wsw_enB)は、回路16Bが有する回路30への撮像データの書き込み動作を制御する機能を有する。また、配線82A(Rsw_enA)は、回路16Aが有する回路30への撮像データの読み出し動作を制御し、配線82B(Rsw_enB)は、回路16Bが有する回路30への撮像データの読み出し動作を制御する機能を有する。例えば、回路16Aが有する回路30に撮像データを書き込む場合は配線81A(Wsw_enA)の電位をHレベル、配線82A(Rsw_enA)の電位をLレベルとする。また、回路16Aが有する回路30に転送された撮像データの読み出しを行う場合は配線81A(Wsw_enA)の電位をLレベル、配線82A(Rsw_enA)の電位をHレベルとする。 The wiring 81A (Wsw_enA) has a function of controlling the operation of writing the imaging data to the circuit 30 of the circuit 16A, and the wiring 81B (Wsw_enB) has a function of controlling the operation of writing the imaging data to the circuit 30 of the circuit 16B. .. Further, the wiring 82A (Rsw_enA) controls the reading operation of the imaging data to the circuit 30 of the circuit 16A, and the wiring 82B (Rsw_enB) controls the reading operation of the imaging data to the circuit 30 of the circuit 16B. Has. For example, when the imaging data is written in the circuit 30 of the circuit 16A, the potential of the wiring 81A (Wsw_enA) is set to H level, and the potential of the wiring 82A (Rsw_enA) is set to L level. When reading the imaging data transferred to the circuit 30 of the circuit 16A, the potential of the wiring 81A (Wsw_enA) is set to the L level, and the potential of the wiring 82A (Rsw_enA) is set to the H level.

なお、配線81B(Wsw_enB)および配線82B(Rsw_enB)も、配線81A(Wsw_enA)および配線82A(Rsw_enA)と同様の論理で、回路16Bが有する回路30への撮像データの書き込み動作および読み出し動作を制御する機能を有する。 The wiring 81B (Wsw_enB) and the wiring 82B (Rsw_enB) also control the writing operation and the reading operation of the imaging data to the circuit 30 of the circuit 16B by the same logic as the wiring 81A (Wsw_enA) and the wiring 82A (Rsw_enA). Has the function of wiring.

配線83(BS)は、回路16Aまたは回路16Bに含まれる回路20が有するトランジスタのゲート電位を制御する機能を有する。 The wiring 83 (BS) has a function of controlling the gate potential of the transistor of the circuit 20 included in the circuit 16A or the circuit 16B.

例えば、配線83_0(BS_0)の電位をHレベルとし、さらに配線81A(Wsw_enA)の電位をHレベルとすることにより、回路16A_0に含まれる配線27(Wsw)の電位がHレベルとなる。これにより、回路16A_0が有するトランジスタ21およびトランジスタ24がオンとなり、回路16A_0は書き込み動作を行えるようになる。また、例えば配線83_0(BS_0)の電位をHレベルとし、さらに配線82A(Rsw_enA)の電位をHレベルとすることにより、回路16A_0に含まれる配線28(Rsw)の電位がHレベルとなる。これにより、回路16A_0が有するトランジスタ22およびトランジスタ25がオンとなり、回路16A_0は読み出し動作を行えるようになる。 For example, by setting the potential of the wiring 83_0 (BS_0) to the H level and further setting the potential of the wiring 81A (Wsw_enA) to the H level, the potential of the wiring 27 (Wsw) included in the circuit 16A_0 becomes the H level. As a result, the transistor 21 and the transistor 24 included in the circuit 16A_0 are turned on, and the circuit 16A_0 can perform the writing operation. Further, for example, by setting the potential of the wiring 83_0 (BS_0) to the H level and further setting the potential of the wiring 82A (Rsw_enA) to the H level, the potential of the wiring 28 (Rsw) included in the circuit 16A_0 becomes the H level. As a result, the transistor 22 and the transistor 25 included in the circuit 16A_0 are turned on, and the circuit 16A_0 can perform the read operation.

また、配線84(BS+)および配線85(BW)は、配線55(WL)を選択する機能を有する。配線84(BS+)はバンクを選択し、配線85(BW)は、配線84(BS+)によって選択されたバンク内の配線55(WL)のうちの1本を選択する。 Further, the wiring 84 (BS +) and the wiring 85 (BW) have a function of selecting the wiring 55 (WL). The wiring 84 (BS +) selects a bank, and the wiring 85 (BW) selects one of the wirings 55 (WL) in the bank selected by the wiring 84 (BS +).

例えば、配線84_0(BS+_0)および配線85[0](BW[0])の電位をHレベルとすることにより、配線55_0[0](WL_0[0])の電位がHレベルとなる。また、例えば配線84_j−1(BS+_j−1)および配線85[n−1](BW[n−1])の電位をHレベルとすることにより、配線55_j−1[n−1](WL_j−1[n−1])の電位がHレベルとなる。 For example, by setting the potentials of the wiring 84_0 (BS + _0) and the wiring 85 [0] (BW [0]) to the H level, the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) becomes the H level. Further, for example, by setting the potential of the wiring 84_j-1 (BS + _j-1) and the wiring 85 [n-1] (BW [n-1]) to the H level, the wiring 55_j-1 [n-1] (WL_j-). The potential of 1 [n-1]) becomes the H level.

なお、配線81A(Wsw_enA)、配線81B(Wsw_enB)、配線82A(Rsw_enA)、配線82B(Rsw_enB)、配線83(BS)、配線84(BS+)および配線85(BW)の論理は、必要に応じて、または適宜逆とすることができる。 The logic of wiring 81A (Wsw_enA), wiring 81B (Wsw_enB), wiring 82A (Rsw_enA), wiring 82B (Rsw_enB), wiring 83 (BS), wiring 84 (BS +), and wiring 85 (BW) is required. Or can be reversed as appropriate.

<動作例>
次に、図13に示すシステムの動作について、図14および図15に示すタイミングチャートを用いて詳細な説明を行う。
<Operation example>
Next, the operation of the system shown in FIG. 13 will be described in detail using the timing charts shown in FIGS. 14 and 15.

一般的に、回路51のような構成の回路は書き込み速度および読み出し速度が遅く、回路30のようなラッチ回路は書き込み速度および読み出し速度が速い。このため、回路16Aが有する回路51への撮像データの書き込みが終了後に、次のバンクの回路16Aが有する回路30および回路51への撮像データの書き込みを始めると回路51の書き込み速度が律速となる。また、回路16Aが有する回路30からの撮像データの読み出しが終了後に、次のバンクの回路16Aが有する回路51からの撮像データの読み出しを始めると回路51の読み出し速度が律速となる。以上により、回路16Aが有する回路51への撮像データの書き込みと、次のバンクの回路16Aが有する回路30および回路51への撮像データの書き込みを並行して行うことにより、図13に示すシステム全体としての書き込み速度を高めることができる。また、回路16Aが有する回路51からの撮像データの読み出しを、前のバンクの回路16Aが有する回路30からの撮像データの読み出しと並行して行うことにより、図13に示すシステム全体としての読み出し速度を高めることができる。 In general, a circuit having a configuration like the circuit 51 has a slow write speed and a read speed, and a latch circuit like the circuit 30 has a high write speed and a read speed. Therefore, after the writing of the imaging data to the circuit 51 of the circuit 16A is completed, when the writing of the imaging data to the circuit 30 and the circuit 51 of the circuit 16A of the next bank is started, the writing speed of the circuit 51 becomes rate-determining. .. Further, when the reading of the imaging data from the circuit 30 of the circuit 16A is completed and the reading of the imaging data from the circuit 51 of the circuit 16A of the next bank is started, the reading speed of the circuit 51 becomes rate-determining. As described above, the entire system shown in FIG. 13 is written by writing the imaging data to the circuit 51 of the circuit 16A and writing the imaging data to the circuits 30 and 51 of the circuit 16A of the next bank in parallel. The writing speed as can be increased. Further, by reading the imaging data from the circuit 51 of the circuit 16A in parallel with reading the imaging data from the circuit 30 of the circuit 16A of the previous bank, the reading speed of the entire system shown in FIG. 13 Can be enhanced.

図14および図15に示すタイミングチャートについて、配線81A(Wsw_enA)、配線82A(Rsw_enA)、配線83_0(BS_0)、配線84_0(BS+_0)、配線83_1(BS_1)、配線84_1(BS+_1)、配線83_j−1(BS_j−1)、配線84_j−1(BS+_j−1)、配線85[0](BW[0])、配線85[n−1](BW[n−1])、配線55_0[0](WL_0[0])および配線55_j−1[n−1](WL_j−1[n−1])の電位を示す。 Regarding the timing charts shown in FIGS. 14 and 15, wiring 81A (Wsw_enA), wiring 82A (Rsw_enA), wiring 83_0 (BS_0), wiring 84_0 (BS + _0), wiring 83_1 (BS_1), wiring 84_1 (BS + _1), wiring 83_j- 1 (BS_j-1), wiring 84_j-1 (BS + _j-1), wiring 85 [0] (BW [0]), wiring 85 [n-1] (BW [n-1]), wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) and wiring 55_j-1 [n-1] (WL_j-1 [n-1]) potentials are shown.

なお、回路20、回路30、回路40および回路50は、1個の回路16Aにそれぞれ1個ずつ設けられ、また1個の回路16Bにもそれぞれ1個ずつ設けられている。また、配線35(VLL)、配線36(VHH)および配線44(PC)は1バンク分の回路16Aにそれぞれ1本ずつ設けられ、また1バンク分の回路16Bにもそれぞれ1本ずつ設けられている。さらに、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)は1個の回路16Aにそれぞれ1本ずつ設けられ、また1個の回路16Bにもそれぞれ1本ずつ設けられている。以上より、回路16Aおよび回路16Bがjバンク分だけ設けられる場合、回路20、回路30、回路40、回路50、配線35(VLL)、配線36(VHH)、配線44(PC)、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)もそれぞれjバンク分だけ設けられる。jバンク分の回路20、回路30、回路40、回路50、配線35(VLL)、配線36(VHH)、配線44(PC)、配線63a(LBL)および配線63b(LBLB)を、回路16Aおよび回路16Bと同様に_0、_1、_j−1などの符号を用いて区別する。 The circuit 20, the circuit 30, the circuit 40, and the circuit 50 are provided one by one in one circuit 16A, and one by one in each circuit 16B. Further, one wiring 35 (VLL), one wiring 36 (VHH) and one wiring 44 (PC) are provided in the circuit 16A for one bank, and one each in the circuit 16B for one bank. There is. Further, one wiring 63a (LBL) and one wiring 63b (LBLB) are provided in one circuit 16A, and one wiring is provided in each circuit 16B. From the above, when the circuit 16A and the circuit 16B are provided for j banks, the circuit 20, the circuit 30, the circuit 40, the circuit 50, the wiring 35 (VLL), the wiring 36 (VHH), the wiring 44 (PC), and the wiring 63a ( LBL) and wiring 63b (LBLB) are also provided for j banks, respectively. Circuit 20, circuit 30, circuit 40, circuit 50, wiring 35 (VLL), wiring 36 (VHH), wiring 44 (PC), wiring 63a (LBL) and wiring 63b (LBLB) for j banks, circuit 16A and Similar to the circuit 16B, a code such as _0, _1, _j-1 is used for distinction.

図14は、図13に示す回路16Aが書き込み動作を行う場合の、回路17Aと電気的に接続された配線の電位を示すタイミングチャートである。T01乃至T06では、回路51_0[0]、回路51_1[0]および回路51_2[0]に撮像データを書き込む。 FIG. 14 is a timing chart showing the potential of the wiring electrically connected to the circuit 17A when the circuit 16A shown in FIG. 13 performs a writing operation. In T01 to T06, the imaging data is written in the circuit 51_0 [0], the circuit 51_1 [0], and the circuit 51_2 [0].

なお、配線55(WL)と回路51は同数設けられる。つまり、配線55(WL)がn×j本設けられる場合、回路51もn×j個設けられる。n×j個の回路51を、配線55(WL)と同様に_0[0]、_0[n−1]、_j−1[0]、_j−1[n−1]などの符号を用いて区別する。 The same number of wirings 55 (WL) and circuits 51 are provided. That is, when n × j wirings 55 (WL) are provided, n × j circuits 51 are also provided. The n × j circuits 51 are connected with reference numerals such as _0 [0], _0 [n-1], _j-1 [0], and _j-1 [n-1] as in the wiring 55 (WL). Distinguish.

時刻T01において、配線84_0(BS+_0)および配線85[0](BW[0])の電位をHレベルとする。これにより、配線55_0[0](WL_0[0])の電位がHレベルとなる。また、図14には示していないが、配線35_0(VLL_0)の電位をLレベル、配線36_0(VHH_0)の電位をHレベルとすることにより、回路30_0をアクティブとする。 At time T01, the potentials of wiring 84_0 (BS + _0) and wiring 85 [0] (BW [0]) are defined as H levels. As a result, the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) becomes the H level. Further, although not shown in FIG. 14, the circuit 30_0 is activated by setting the potential of the wiring 35_0 (VLL_0) to the L level and the potential of the wiring 36_0 (VHH_0) to the H level.

また、時刻T01において配線83_0(BS_0)の電位をHレベルとし、時刻T02において配線81A(Wsw_enA)の電位をHレベルとする。これにより、回路20_0が有するトランジスタ21およびトランジスタ24がオンとなって配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)から回路30_0に撮像データが書き込まれ、そして該撮像データの回路51_0[0]への書き込みが開始される。 Further, at time T01, the potential of wiring 83_0 (BS_0) is set to H level, and at time T02, the potential of wiring 81A (Wsw_enA) is set to H level. As a result, the transistor 21 and the transistor 24 included in the circuit 20_0 are turned on, the imaging data is written from the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB) to the circuit 30_0, and the imaging data is transferred to the circuit 51_0 [0]. Writing is started.

時刻T03において、配線81A(Wsw_enA)および配線83_0(BS_0)の電位をLレベルとする。配線81A(Wsw_enA)および配線83_0(BS_0)の電位が両方ともHレベルである場合のみ回路20_0が有するトランジスタ21およびトランジスタ24がオンとなるので、回路20_0が有するトランジスタ21およびトランジスタ24はオフとなる。これにより、配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)から回路30_0への撮像データの書き込みが終了する。 At time T03, the potentials of the wiring 81A (Wsw_enA) and the wiring 83_0 (BS_0) are set to the L level. Only when the potentials of the wiring 81A (Wsw_enA) and the wiring 83_0 (BS_0) are at H level, the transistor 21 and the transistor 24 of the circuit 20_0 are turned on, so that the transistor 21 and the transistor 24 of the circuit 20_0 are turned off. .. As a result, the writing of the imaging data from the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB) to the circuit 30_0 is completed.

なお、時刻T03において、配線84_0(BS+_0)および配線85[0](BW[0])の電位はHレベルのままである。このため、時刻T02乃至時刻T03において回路30_0に書き込まれた撮像データは、引き続き回路51_0[0]に書きこまれる。 At time T03, the potentials of the wiring 84_0 (BS + _0) and the wiring 85 [0] (BW [0]) remain at the H level. Therefore, the imaging data written in the circuit 30_0 at the time T02 to the time T03 is continuously written in the circuit 51_0 [0].

また、時刻T03において、配線84_1(BS+_1)の電位をHレベルとする。該動作と、配線85[0](BW[0])の電位がHレベルとなっていることにより、配線55_1[0](WL_1[0])の電位がHレベルとなる。なお、配線55_1[0](WL_1[0])の電位は図14に示していない。 Further, at time T03, the potential of the wiring 84_1 (BS + _1) is set to the H level. Due to this operation and the potential of the wiring 85 [0] (BW [0]) being at the H level, the potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) is at the H level. The potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) is not shown in FIG.

また、図14には示していないが、時刻T03において、配線35_1(VLL_1)の電位をLレベル、配線36_1(VHH_1)の電位をHレベルとすることにより、回路30_1をアクティブとする。 Further, although not shown in FIG. 14, at time T03, the circuit 30_1 is activated by setting the potential of the wiring 35_1 (VLL_1) to the L level and the potential of the wiring 36_1 (VHH_1) to the H level.

また、時刻T03において配線83_1(BS_1)の電位をHレベルとし、時刻T04において配線81A(Wsw_enA)の電位をHレベルとする。これにより、回路20_1が有するトランジスタ21およびトランジスタ24がオンとなって配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)から回路30_1に撮像データが書き込まれ、そして該撮像データの回路51_1[0]への書き込みが開始される。 Further, at time T03, the potential of the wiring 83_1 (BS_1) is set to the H level, and at time T04, the potential of the wiring 81A (Wsw_enA) is set to the H level. As a result, the transistor 21 and the transistor 24 included in the circuit 20_1 are turned on, the imaging data is written from the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB) to the circuit 30_1, and the imaging data is transferred to the circuit 51_1 [0]. Writing is started.

時刻T05において、配線81A(Wsw_enA)および配線83_1(BS_1)の電位をLレベルとする。配線81A(Wsw_enA)および配線83_1(BS_1)の電位が両方ともHレベルである場合のみ回路20_1が有するトランジスタ21およびトランジスタ24がオンとなるので、回路20_1が有するトランジスタ21およびトランジスタ24はオフとなる。これにより、配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)から回路30_1への撮像データの書き込みが終了する。 At time T05, the potentials of the wiring 81A (Wsw_enA) and the wiring 83_1 (BS_1) are set to the L level. Only when the potentials of the wiring 81A (Wsw_enA) and the wiring 83_1 (BS_1) are at H level, the transistor 21 and the transistor 24 of the circuit 20_1 are turned on, so that the transistor 21 and the transistor 24 of the circuit 20_1 are turned off. .. As a result, the writing of the imaging data from the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB) to the circuit 30_1 is completed.

また、時刻T05において、配線84_0(BS+_0)の電位をLレベルとする。これにより、配線55_0[0](WL_0[0])の電位がLレベルとなり、回路51_0[0]への撮像データの書き込みが終了する。また、配線55_0[0](WL_0[0])の電位をLレベルとした後に、配線35_0(VLL_0)および配線36_0(VHH_0)の電位を”VDD/2”とすることにより、回路30_0が非アクティブとなるので、消費電力を低減することができる。 Further, at time T05, the potential of the wiring 84_0 (BS + _0) is set to the L level. As a result, the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) becomes the L level, and the writing of the imaging data to the circuit 51_0 [0] is completed. Further, after the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) is set to the L level, the potential of the wiring 35_0 (VLL_0) and the wiring 36_0 (VHH_0) is set to "VDD / 2", so that the circuit 30_0 is not set. Since it becomes active, power consumption can be reduced.

なお、時刻T05において、配線84_1(BS+_1)および配線85[0](BW[0])の電位はHレベルのままである。このため、時刻T04乃至時刻T05において回路30_1に書き込まれた撮像データは、引き続き回路51_1[0]に書きこまれる。 At time T05, the potentials of the wiring 84_1 (BS + _1) and the wiring 85 [0] (BW [0]) remain at the H level. Therefore, the imaging data written in the circuit 30_1 at the time T04 to the time T05 is continuously written in the circuit 51-1 [0].

また、時刻T05において、配線84_2(BS+_2)の電位をHレベルとする。該動作と、配線85[0](BW[0])の電位がHレベルとなっていることにより、配線55_2[0](WL_2[0])の電位がHレベルとなる。なお、配線84_2(BS+_2)および配線55_2[0](WL_2[0])の電位は図14に示していない。 Further, at time T05, the potential of the wiring 84_2 (BS + __) is set to the H level. Due to this operation and the potential of the wiring 85 [0] (BW [0]) being at the H level, the potential of the wiring 55_2 [0] (WL_2 [0]) is at the H level. The potentials of the wiring 84_2 (BS + _2) and the wiring 55_2 [0] (WL_2 [0]) are not shown in FIG.

また、図14には示していないが、時刻T05において、配線35_2(VLL_2)の電位をLレベル、配線36_2(VHH_2)の電位をHレベルとすることにより、回路30_2をアクティブとする。 Further, although not shown in FIG. 14, at time T05, the circuit 30_2 is activated by setting the potential of the wiring 35_2 (VLL_2) to the L level and the potential of the wiring 36_2 (VHH_2) to the H level.

また、時刻T05において配線83_2(BS_2)の電位をHレベルとし、時刻T06において配線81A(Wsw_enA)の電位をHレベルとする。これにより、回路20_2がアクティブとなって配線61a(WBL)および配線61b(WBLB)から回路30_2に撮像データが書き込まれ、そして該撮像データの回路51_2[0]への書き込みが開始される。 Further, at the time T05, the potential of the wiring 83_2 (BS_2) is set to the H level, and at the time T06, the potential of the wiring 81A (Wsw_enA) is set to the H level. As a result, the circuit 20_2 becomes active, the imaging data is written from the wiring 61a (WBL) and the wiring 61b (WBLB) to the circuit 30_2, and the writing of the imaging data to the circuit 51_2 [0] is started.

時刻T11乃至時刻T16では、回路51_j−2[0]、回路51_j−1[0]および回路51_0[1]に撮像データを書き込む。また、時刻T21乃至時刻T25では、回路51_j−2[n−1]および回路51_j−1[n−1]に撮像データを書き込む。以上に示すように、図14に示す動作では、回路51_0[0]乃至回路51_j−1[0]への撮像データの書き込みを行い、次に回路51_0[1]乃至回路51_j−1[1]への撮像データの書き込みを行い、順に回路51_0[n−1]乃至回路51_j−1[n−1]まで撮像データの書き込みを行う。以上が図13に示す回路16Aにおける書き込み動作である。 At time T11 to time T16, imaging data is written in circuit 51_j-2 [0], circuit 51_j-1 [0], and circuit 51_0 [1]. Further, at time T21 to time T25, the imaging data is written in the circuit 51_j-2 [n-1] and the circuit 51_j-1 [n-1]. As described above, in the operation shown in FIG. 14, the imaging data is written to the circuits 51_0 [0] to 51_j-1 [0], and then the circuits 51_0 [1] to 51_j-1 [1] are written. The imaging data is written to the circuit 51_0 [n-1] to the circuit 51_j-1 [n-1] in order. The above is the writing operation in the circuit 16A shown in FIG.

なお、図14では、回路30への撮像データの書き込みが終了した後も、回路30から回路51への撮像データの書き込みは行われる。さらに、この際他のバンクの回路16Aが有する回路30および回路51への撮像データの書き込みも並行して行われる。例えば、時刻T04乃至時刻T05において、回路30_0への撮像データの書き込みは行われないが、回路30_0から回路51_0[0]への撮像データの書き込みは行われ、並行して回路30_1および回路51_1への撮像データの書き込みも行われる。つまり、複数のバンクの回路16Aが並行して書き込み動作を行う。 In FIG. 14, the imaging data is written from the circuit 30 to the circuit 51 even after the writing of the imaging data to the circuit 30 is completed. Further, at this time, the writing of the imaging data to the circuits 30 and 51 of the circuits 16A of the other banks is also performed in parallel. For example, at time T04 to time T05, the imaging data is not written to the circuit 30_0, but the imaging data is written from the circuit 30_0 to the circuit 51_0 [0], and is written to the circuit 30_1 and the circuit 51_1 in parallel. The imaging data of the above is also written. That is, the circuits 16A of the plurality of banks perform the writing operation in parallel.

一般的に、回路51のような構成の回路は書き込み速度が遅く、回路30のようなラッチ回路は書き込み速度が速い。このため、回路16Aが有する回路51への撮像データの書き込みが終了後に、次のバンクの回路16Aが有する回路30および回路51への撮像データの書き込みを始めると回路51の書き込み速度が律速となる。このため、図14に示すように、回路16Aが有する回路51への撮像データの書き込みと、次のバンクの回路16Aが有する回路30および回路51への撮像データの書き込みを並行して行うことにより、図13に示すシステム全体としての書き込み速度を高めることができる。 Generally, a circuit having a configuration like the circuit 51 has a slow writing speed, and a latch circuit like the circuit 30 has a high writing speed. Therefore, after the writing of the imaging data to the circuit 51 of the circuit 16A is completed, when the writing of the imaging data to the circuit 30 and the circuit 51 of the circuit 16A of the next bank is started, the writing speed of the circuit 51 becomes rate-determining. .. Therefore, as shown in FIG. 14, the imaging data is written to the circuit 51 of the circuit 16A and the imaging data is written to the circuits 30 and 51 of the circuit 16A of the next bank in parallel. , The writing speed of the entire system shown in FIG. 13 can be increased.

なお、図14では、回路16Aが有する回路51への撮像データの書き込みは、次のバンクの回路16Aが有する回路30への撮像データの書き込みが終了するまでとしたが、同じバンクの回路16Aが有する回路30への、次の撮像データの書き込みが行われるまでを限度に任意の時間だけ回路51への撮像データの書き込みを行うことができる。例えば、回路51_0[0]への撮像データの書き込みは、例えば回路30_2への撮像データの書き込みが終了するまで続けてもよいし、回路30_j−1への撮像データの書き込みが終了するまで続けてもよい。また、例えば回路51_1[1]への撮像データの書き込みは、例えば回路30_3への撮像データの書き込みが終了するまで続けてもよいし、回路30_0への撮像データの書き込みが終了するまで続けてもよい。 In FIG. 14, the imaging data was written to the circuit 51 of the circuit 16A until the writing of the imaging data to the circuit 30 of the circuit 16A of the next bank was completed, but the circuit 16A of the same bank The imaging data can be written to the circuit 51 for an arbitrary time until the next imaging data is written to the circuit 30 having the circuit 30. For example, the writing of the imaging data to the circuit 51_0 [0] may be continued until, for example, the writing of the imaging data to the circuit 30_2 is completed, or the writing of the imaging data to the circuit 30_j-1 is completed. May be good. Further, for example, the writing of the imaging data to the circuit 51_1 [1] may be continued until the writing of the imaging data to the circuit 30_3 is completed, or may be continued until the writing of the imaging data to the circuit 30_1 is completed. Good.

なお、例えば回路30_0への撮像データの書き込みが終了後、回路30_1への撮像データの書き込みが開始される前に回路51_0[0]への撮像データの書き込みを終了してもよい。例えば、回路30_0への撮像データの書き込みの終了と同時に、回路51_0[0]への撮像データの書き込みを終了してもよい。 For example, after the writing of the imaging data to the circuit 30_1 is completed and before the writing of the imaging data to the circuit 30_1 is started, the writing of the imaging data to the circuit 51_0 [0] may be completed. For example, the writing of the imaging data to the circuit 51_0 [0] may be completed at the same time as the writing of the imaging data to the circuit 30_0 is completed.

図15は、図13に示す回路16Aが読み出し動作を行う場合の、回路17Aと電気的に接続された配線の電位を示すタイミングチャートである。T01乃至T06では、回路51_0[0]および回路51_1[0]に保持された撮像データを外部に読み出す。 FIG. 15 is a timing chart showing the potential of the wiring electrically connected to the circuit 17A when the circuit 16A shown in FIG. 13 performs a read operation. In T01 to T06, the imaging data held in the circuit 51_0 [0] and the circuit 51_1 [0] are read out to the outside.

時刻T01において、配線84_0(BS+_0)および配線85[0](BW[0])の電位をHレベルとする。これにより、配線55_0[0](WL_0[0])の電位がHレベルとなる。 At time T01, the potentials of wiring 84_0 (BS + _0) and wiring 85 [0] (BW [0]) are defined as H levels. As a result, the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) becomes the H level.

なお、時刻T01において配線84_0(BS+_0)の電位をHレベルとする前に、図15には示していないが、配線44_0(PC_0)の電位をHレベルとしてその後配線44_0(PC_0)の電位をLレベルとすることにより、配線63a_0(LBL_0)および配線63b_0(LBLB_0)をプリチャージすることができる。これにより、回路51_0[0]に保持された撮像データを正しく回路30_0に転送できるようになる。 Although not shown in FIG. 15, before the potential of the wiring 84_0 (BS + _0) is set to the H level at time T01, the potential of the wiring 44_0 (PC_0) is set to the H level and then the potential of the wiring 44_0 (PC_0) is set to L. By setting the level, the wiring 63a_0 (LBL_0) and the wiring 63b_0 (LBLB_0) can be precharged. As a result, the imaging data held in the circuit 51_0 [0] can be correctly transferred to the circuit 30_0.

また、時刻T01において配線55_0[0](WL_0[0])の電位がHレベルとなった後に、図15には示していないが、配線35_0(VLL_0)の電位をLレベル、配線36_0(VHH_0)の電位をHレベルとする。これにより、回路30_0がアクティブとなり、回路51_0[0]に保持された撮像データが回路30_0に転送される。そして、回路30_0に転送された撮像データは増幅される。また、配線55_0[0](WL_0[0])の電位がHレベルであるので、増幅された撮像データは回路51_0[0]に再書き込みされる。 Further, after the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) reaches the H level at time T01, although not shown in FIG. 15, the potential of the wiring 35_0 (VLL_0) is set to the L level and the potential of the wiring 36_0 (VHH_0). ) Is the H level. As a result, the circuit 30_0 becomes active, and the imaging data held in the circuit 51_0 [0] is transferred to the circuit 30_0. Then, the imaging data transferred to the circuit 30_0 is amplified. Further, since the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) is H level, the amplified imaging data is rewritten in the circuit 51_0 [0].

時刻T02において、配線83_0(BS_0)の電位をHレベルとする。また、時刻T03において、配線82A(Rsw_enA)の電位をHレベルとする。これにより、回路20_0が有するトランジスタ22およびトランジスタ25がオンとなり、回路51_0[0]から回路30_0に転送された撮像データが回路20_0を介して読み出される。 At time T02, the potential of wiring 83_0 (BS_0) is defined as the H level. Further, at time T03, the potential of the wiring 82A (Rsw_enA) is set to the H level. As a result, the transistor 22 and the transistor 25 included in the circuit 20_0 are turned on, and the imaging data transferred from the circuit 51_0 [0] to the circuit 30_0 is read out via the circuit 20_0.

また、時刻T03において、配線84_1(BS+_1)の電位をHレベルとする。該動作と、配線85[0](BW[0])の電位がHレベルとなっていることにより、配線55_1[0](WL_1[0])の電位がHレベルとなる。なお、配線55_1[0](WL_1[0])の電位は図15には示していない。 Further, at time T03, the potential of the wiring 84_1 (BS + _1) is set to the H level. Due to this operation and the potential of the wiring 85 [0] (BW [0]) being at the H level, the potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) is at the H level. The potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) is not shown in FIG.

なお、時刻T03において配線84_1(BS+_1)の電位をHレベルとする前に、図15には示していないが、配線44_1(PC_1)の電位をHレベルとしてその後配線44_1(PC_1)の電位をLレベルとすることにより、配線63a_1(LBL_1)および配線63b_1(LBLB_1)をプリチャージすることができる。これにより、回路51_1[0]に保持された撮像データを正しく回路30_1に転送できるようになる。 Before the potential of the wiring 84_1 (BS + _1) is set to the H level at time T03, although not shown in FIG. 15, the potential of the wiring 44_1 (PC_1) is set to the H level and then the potential of the wiring 44_1 (PC_1) is set to L. By setting the level, the wiring 63a_1 (LBL_1) and the wiring 63b_1 (LBLB_1) can be precharged. As a result, the imaging data held in the circuit 51_1 [0] can be correctly transferred to the circuit 30_1.

また、時刻T03において配線55_1[0](WL_1[0])の電位がHレベルとなった後に、図15には示していないが、配線35_1(VLL_1)の電位をLレベル、配線36_1(VHH_1)の電位をHレベルとする。これにより、回路30_1がアクティブとなり、回路51_1[0]に保持された撮像データが回路30_1に転送される。そして、回路30_1に転送された撮像データは増幅される。また、配線55_1[0](WL_1[0])の電位がHレベルであるので、増幅された撮像データは回路51_1[0]に再書き込みされる。 Further, after the potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) reaches the H level at time T03, although not shown in FIG. 15, the potential of the wiring 35_1 (VLL_1) is set to the L level and the potential of the wiring 36_1 (VHH_1) is set to the L level. ) Is the H level. As a result, the circuit 30_1 becomes active, and the imaging data held in the circuit 51_1 [0] is transferred to the circuit 30_1. Then, the imaging data transferred to the circuit 30_1 is amplified. Further, since the potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) is at the H level, the amplified imaging data is rewritten in the circuit 51-1 [0].

時刻T04において、配線82A(Rsw_enA)および配線83_0(BS_0)の電位をLレベルとする。回路20_0は、配線82A(Rsw_enA)および配線83_0(BS_0)の電位が両方ともHレベルである場合のみアクティブとなるので、回路20_0が有するトランジスタ22およびトランジスタ25はオフとなる。これにより、回路30_0からの撮像データの読み出しが終了する。 At time T04, the potentials of the wiring 82A (Rsw_enA) and the wiring 83_0 (BS_0) are set to the L level. Since the circuit 20_0 is active only when the potentials of the wiring 82A (Rsw_enA) and the wiring 83_0 (BS_0) are both H level, the transistor 22 and the transistor 25 of the circuit 20_0 are turned off. As a result, the reading of the imaging data from the circuit 30_0 is completed.

また、時刻T04において、配線84_0(BS+_0)の電位をLレベルとすることにより、配線55_0[0](WL_0[0])の電位がLレベルとなる。これにより、回路30_0から回路51_0[0]への再書き込みが終了する。 Further, at time T04, by setting the potential of the wiring 84_0 (BS + _0) to the L level, the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) becomes the L level. As a result, the rewriting from the circuit 30_0 to the circuit 51_0 [0] is completed.

なお、時刻T04において配線55_0[0](WL_0[0])の電位がLレベルとなった後に、配線35_0(VLL_0)の電位および配線36_0(VHH_0)の電位をそれぞれ”VDD/2”とする。これにより、回路30_0が非アクティブとなるので、消費電力を低減することができる。 After the potential of the wiring 55_0 [0] (WL_0 [0]) reaches the L level at time T04, the potential of the wiring 35_0 (VLL_0) and the potential of the wiring 36_0 (VHH_0) are set to "VDD / 2", respectively. .. As a result, the circuit 30_0 becomes inactive, so that power consumption can be reduced.

また、時刻T04において配線83_1(BS_1)の電位をHレベルとし、時刻T05において配線82A(Rsw_enA)の電位をHレベルとする。これにより、回路20_1が有するトランジスタ22およびトランジスタ25はオンとなり、回路51_1[0]から回路30_1に転送された撮像データが回路20_1を介して読み出される。 Further, at time T04, the potential of wiring 83_1 (BS_1) is set to H level, and at time T05, the potential of wiring 82A (Rsw_enA) is set to H level. As a result, the transistor 22 and the transistor 25 included in the circuit 20_1 are turned on, and the imaging data transferred from the circuit 51_1 [0] to the circuit 30_1 is read out via the circuit 20_1.

また、時刻T05において、配線84_2(BS+_2)の電位をHレベルとする。該動作と、配線85[0](BW[0])の電位がHレベルとなっていることにより、配線55_2[0](WL_2[0])の電位がHレベルとなる。なお、配線84_2(BS+_2)および配線55_2[0](WL_2[0])の電位は図15には示していない。 Further, at time T05, the potential of the wiring 84_2 (BS + __) is set to the H level. Due to this operation and the potential of the wiring 85 [0] (BW [0]) being at the H level, the potential of the wiring 55_2 [0] (WL_2 [0]) is at the H level. The potentials of the wiring 84_2 (BS + _2) and the wiring 55_2 [0] (WL_2 [0]) are not shown in FIG.

なお、時刻T05において配線84_2(BS+_2)の電位をHレベルとする前に、図15には示していないが、配線44_2(PC_2)の電位をHレベルとしてその後配線44_2(PC_2)の電位をLレベルとすることにより、配線63a_2(LBL_2)および配線63b_2(LBLB_2)をプリチャージすることができる。これにより、回路51_2[0]に保持された撮像データを正しく回路30_2に転送できるようになる。 Although not shown in FIG. 15, before the potential of the wiring 84_2 (BS + _2) is set to the H level at time T05, the potential of the wiring 44_2 (PC_2) is set to the H level and then the potential of the wiring 44_2 (PC_2) is set to L. By setting the level, the wiring 63a_2 (LBL_2) and the wiring 63b_2 (LBLB_2) can be precharged. As a result, the imaging data held in the circuit 51-2 [0] can be correctly transferred to the circuit 30_2.

また、時刻T05において配線55_2[0](WL_2[0])の電位がHレベルとなった後に、図15には示していないが、配線35_2(VLL_2)の電位をLレベル、配線36_2(VHH_2)の電位をHレベルとする。これにより、回路30_2がアクティブとなり、回路51_2[0]に保持された撮像データが回路30_2に転送される。そして、回路30_2に転送された撮像データは増幅される。また、配線55_2[0](WL_2[0])の電位がHレベルであるので、増幅された撮像データは回路51_2[0]に再書き込みされる。 Further, after the potential of the wiring 55_2 [0] (WL_2 [0]) reaches the H level at time T05, although not shown in FIG. 15, the potential of the wiring 35_2 (VLL_2) is set to the L level and the potential of the wiring 36_2 (VHH_2). ) Is the H level. As a result, the circuit 30_2 becomes active, and the imaging data held in the circuit 51-2 [0] is transferred to the circuit 30_2. Then, the imaging data transferred to the circuit 30_2 is amplified. Further, since the potential of the wiring 55_2 [0] (WL_2 [0]) is H level, the amplified imaging data is rewritten in the circuit 51-2 [0].

時刻T06において、配線82A(Rsw_enA)および配線83_1(BS_1)の電位をLレベルとする。回路20_1は、配線82A(Rsw_enA)および配線83_1(BS_1)の電位が両方ともHレベルである場合のみアクティブとなるので、回路20_1が有するトランジスタ22およびトランジスタ25はオフとなる。これにより、回路30_1からの撮像データの読み出しが終了する。 At time T06, the potentials of the wiring 82A (Rsw_enA) and the wiring 83_1 (BS_1) are set to the L level. Since the circuit 20_1 is active only when the potentials of the wiring 82A (Rsw_enA) and the wiring 83_1 (BS_1) are both H level, the transistor 22 and the transistor 25 of the circuit 20_1 are turned off. As a result, the reading of the imaging data from the circuit 30_1 is completed.

また、時刻T06において、配線84_1(BS+_1)の電位をLレベルとすることにより、配線55_1[0](WL_1[0])の電位がLレベルとなる。これにより、回路30_1から回路51_1[0]への再書き込みが終了する。 Further, at time T06, by setting the potential of the wiring 84_1 (BS + _1) to the L level, the potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) becomes the L level. As a result, the rewriting from the circuit 30_1 to the circuit 51_1 [0] is completed.

なお、時刻T06において配線55_1[0](WL_1[0])の電位がLレベルとなった後に、配線35_1(VLL_1)の電位および配線36_1(VHH_1)の電位をそれぞれ”VDD/2”とする。これにより、回路30_1が非アクティブとなるので、消費電力を低減することができる。 After the potential of the wiring 55_1 [0] (WL_1 [0]) reaches the L level at time T06, the potential of the wiring 35_1 (VLL_1) and the potential of the wiring 36_1 (VHH_1) are set to "VDD / 2", respectively. .. As a result, the circuit 30_1 becomes inactive, so that power consumption can be reduced.

時刻T11乃至時刻T16では、回路51_j−2[0]、回路51_j−1[0]および回路51_0[1]に保持された撮像データを外部に読み出す。また、時刻T21乃至時刻T24では、回路51_j−2[n−1]および回路51_j−1[n−1]に保持された撮像データを外部に読み出す。 At time T11 to time T16, the imaging data held in the circuit 51_j-2 [0], the circuit 51_j-1 [0], and the circuit 51_0 [1] are read out to the outside. Further, at time T21 to time T24, the imaging data held in the circuit 51_j-2 [n-1] and the circuit 51_j-1 [n-1] are read out to the outside.

以上に示すように、図15に示す動作では、回路51_0[0]乃至回路51_j−1[0]から撮像データを読み出し、次に回路51_0[1]乃至回路51_j−1[1]から撮像データを読み出し、順に回路51_0[n−1]乃至回路51_j−1[n−1]まで撮像データの読み出しを行う。以上が図13に示す回路16Aにおける読み出し動作である。 As described above, in the operation shown in FIG. 15, the imaging data is read from the circuit 51_0 [0] to the circuit 51_j-1 [0], and then the imaging data is read from the circuit 51_0 [1] to the circuit 51_j-1 [1]. Is read out, and the imaging data is read out in order from the circuit 51_0 [n-1] to the circuit 51_j-1 [n-1]. The above is the read operation in the circuit 16A shown in FIG.

なお、図15では、回路16Aが有する回路30が撮像データの読み出しを行っている最中に、他のバンクの回路16Aが有する回路51が撮像データの読み出しを行う。例えば、時刻T03乃至時刻T04において、回路51_0[0]から回路30_0に転送された撮像データの読み出しと、回路51_1[0]に保持された撮像データの回路30_1への転送が並行して行われる。つまり、複数バンクの回路16Aが並行して読み出し動作を行っている。 In FIG. 15, while the circuit 30 included in the circuit 16A is reading out the imaging data, the circuit 51 included in the circuit 16A in another bank reads out the imaging data. For example, at time T03 to time T04, the reading of the imaging data transferred from the circuit 51_0 [0] to the circuit 30_1 and the transfer of the imaging data held in the circuit 51_1 [0] to the circuit 30_1 are performed in parallel. .. That is, the circuits 16A of the plurality of banks perform the read operation in parallel.

一般的に、回路51のような構成の回路は読み出し速度が遅く、回路30のようなラッチ回路は読み出し速度が速い。このため、回路16Aが有する回路30からの撮像データの読み出しが終了後に、次のバンクの回路16Aが有する回路51からの撮像データの読み出しを始めると回路51の読み出し速度が律速となる。このため、図15に示すように、回路16Aが有する回路51からの撮像データの読み出しを、前のバンクの回路16Aが有する回路30からの撮像データの読み出しと並行して行うことにより、図13に示すシステム全体としての読み出し速度を高めることができる。 Generally, a circuit having a configuration like the circuit 51 has a slow read speed, and a latch circuit like the circuit 30 has a high read speed. Therefore, when the reading of the imaging data from the circuit 30 of the circuit 16A is completed and the reading of the imaging data from the circuit 51 of the circuit 16A of the next bank is started, the reading speed of the circuit 51 becomes rate-determining. Therefore, as shown in FIG. 15, by reading the imaging data from the circuit 51 of the circuit 16A in parallel with reading the imaging data from the circuit 30 of the circuit 16A of the previous bank, FIG. 13 The read speed of the entire system shown in (1) can be increased.

なお、図15では、回路16Aが有する回路51からの撮像データの読み出しは、前のバンクの回路16Aが有する回路30からの撮像データの読み出しを開始してから行ったが、同じバンクの回路16Aが有する回路30が、前の撮像データの読み出しを行った後であれば任意の時間に回路51から撮像データを読み出すことができる。例えば、回路51_j−1[0]からの撮像データの読み出しは、例えば回路30_j−3からの撮像データの読み出しと同時に開始してもよいし、回路30_0からの撮像データの読み出しと同時に開始してもよい。また、例えば回路51_1[1]からの撮像データの読み出しは、例えば回路30_j−1からの撮像データの読み出しと同時に開始してもよいし、回路30_2からの撮像データの読み出しと同時に開始してもよい。 In FIG. 15, the reading of the imaging data from the circuit 51 of the circuit 16A was performed after the reading of the imaging data from the circuit 30 of the circuit 16A of the previous bank was started, but the circuit 16A of the same bank The circuit 30 of the circuit 30 can read the imaged data from the circuit 51 at an arbitrary time after the previous imaged data is read out. For example, the reading of the imaging data from the circuit 51_j-1 [0] may be started at the same time as the reading of the imaging data from the circuit 30_j-3, or at the same time as the reading of the imaging data from the circuit 30_0. May be good. Further, for example, the reading of the imaging data from the circuit 51_1 [1] may be started at the same time as the reading of the imaging data from the circuit 30_j-1, or may be started at the same time as the reading of the imaging data from the circuit 30_2. Good.

また、例えば回路51_1[0]からの撮像データの読み出しを、回路30_0からの撮像データの読み出し後に開始してもよい。例えば、回路51_1[0]からの撮像データの読み出しと、回路30_1からの撮像データの読み出しを同時に開始してもよい。 Further, for example, reading of the imaging data from the circuit 51_1 [0] may be started after reading the imaging data from the circuit 30_1. For example, the reading of the imaging data from the circuit 51_1 [0] and the reading of the imaging data from the circuit 30_1 may be started at the same time.

図14に示す書き込み動作および図15に示す読み出し動作について、配線55_k[0](WL_k[0])乃至配線55_k[n−1](WL_k[n−1])のすべての電位がLレベルとなっている期間は、配線35_k(VLL_k)および配線36_k(VHH_k)の電位を”VDD/2”とすることができる(kは0以上j−1以下の整数)。これにより、書き込み動作および読み出し動作を行っていない回路30_kを非アクティブとすることができるため、消費電力を低減することができる。 Regarding the writing operation shown in FIG. 14 and the reading operation shown in FIG. 15, all the potentials of the wiring 55_k [0] (WL_k [0]) to the wiring 55_k [n-1] (WL_k [n-1]) are L level. During this period, the potentials of the wiring 35_k (VLL_k) and the wiring 36_k (VHH_k) can be set to "VDD / 2" (k is an integer of 0 or more and j-1 or less). As a result, the circuit 30_k that is not performing the write operation and the read operation can be inactive, so that the power consumption can be reduced.

なお、回路16Bの書き込み動作および読み出し動作は、配線81B(Wsw_enB)の電位が配線81A(Wsw_enA)の電位と同様の手順で変動し、配線82B(Rsw_enB)の電位が配線82A(Rsw_enA)の電位と同様の手順で変動する。また、回路17Bと電気的に接続された配線83(BS)、配線84(BS+)、配線85(BW)および配線55(WL)の電位が図14および図15に示すように変動する。これ以外は、図14に示す回路16Aの書き込み動作および図15に示す回路16A読み出し動作と同様である。 In the writing operation and reading operation of the circuit 16B, the potential of the wiring 81B (Wsw_enB) fluctuates in the same procedure as the potential of the wiring 81A (Wsw_enA), and the potential of the wiring 82B (Rsw_enB) is the potential of the wiring 82A (Rsw_enA). It fluctuates in the same procedure as. Further, the potentials of the wiring 83 (BS), the wiring 84 (BS +), the wiring 85 (BW) and the wiring 55 (WL) electrically connected to the circuit 17B fluctuate as shown in FIGS. 14 and 15. Other than this, it is the same as the writing operation of the circuit 16A shown in FIG. 14 and the reading operation of the circuit 16A shown in FIG.

また、本実施の形態は撮像装置に限らず、他の半導体装置に適用することができる。例えば、記憶装置に本実施の形態を適用することができる。 Further, the present embodiment is not limited to the imaging device, and can be applied to other semiconductor devices. For example, the present embodiment can be applied to a storage device.

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with the configurations described in the other embodiments as appropriate.

(実施の形態4)
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体を有するトランジスタについて図面を用いて説明する。なお、本実施の形態における図面では、明瞭化のために一部の要素を拡大、縮小、または省略して図示している。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, a transistor having an oxide semiconductor that can be used in one aspect of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings of the present embodiment, some elements are enlarged, reduced, or omitted for clarity.

図16(A)は本発明の一態様のトランジスタ401の上面図である。また、図16(A)に示す一点鎖線B1−B2方向の断面が図16(B)に相当する。また、図16(A)に示す一点鎖線B3−B4方向の断面が図18(A)に相当する。なお、一点鎖線B1−B2方向をチャネル長方向、一点鎖線B3−B4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 FIG. 16A is a top view of the transistor 401 according to one aspect of the present invention. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line B1-B2 shown in FIG. 16 (A) corresponds to FIG. 16 (B). Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line B3-B4 shown in FIG. 16 (A) corresponds to FIG. 18 (A). The alternate long and short dash line B1-B2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line B3-B4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ401は、基板415と、絶縁膜420と、酸化物半導体膜430と、導電膜440と、導電膜450と、絶縁膜460と、導電膜470と、絶縁膜475と、絶縁膜480と、を有する。 The transistor 401 includes a substrate 415, an insulating film 420, an oxide semiconductor film 430, a conductive film 440, a conductive film 450, an insulating film 460, a conductive film 470, an insulating film 475, and an insulating film 480. Has.

絶縁膜420は基板415と接し、酸化物半導体膜430は絶縁膜420と接し、導電膜440および導電膜450は絶縁膜420および酸化物半導体膜430と接し、絶縁膜460は絶縁膜420、酸化物半導体膜430、導電膜440および導電膜450と接し、導電膜470は絶縁膜460と接し、絶縁膜475は絶縁膜420、導電膜440、導電膜450および導電膜470と接し、絶縁膜480は絶縁膜475と接する。 The insulating film 420 is in contact with the substrate 415, the oxide semiconductor film 430 is in contact with the insulating film 420, the conductive film 440 and the conductive film 450 are in contact with the insulating film 420 and the oxide semiconductor film 430, and the insulating film 460 is in contact with the insulating film 420 and oxidation. Material Semiconductor film 430, conductive film 440 and conductive film 450, conductive film 470 in contact with insulating film 460, insulating film 475 in contact with insulating film 420, conductive film 440, conductive film 450 and conductive film 470, insulating film 480. Is in contact with the insulating film 475.

ここで、酸化物半導体膜430における、導電膜440と接する領域を領域531、導電膜450と接する領域を領域532、絶縁膜460と接する領域を領域533とする。 Here, in the oxide semiconductor film 430, the region in contact with the conductive film 440 is referred to as a region 531, the region in contact with the conductive film 450 is referred to as a region 532, and the region in contact with the insulating film 460 is referred to as a region 533.

また、導電膜440および導電膜450は酸化物半導体膜430と電気的に接続されている。 Further, the conductive film 440 and the conductive film 450 are electrically connected to the oxide semiconductor film 430.

導電膜440はソース電極、導電膜450はドレイン電極、絶縁膜460はゲート絶縁膜、導電膜470はゲート電極としての機能を有する。 The conductive film 440 has a function as a source electrode, the conductive film 450 has a function as a drain electrode, the insulating film 460 has a function as a gate insulating film, and the conductive film 470 has a function as a gate electrode.

また、図16(B)に示す領域531はソース領域、領域532はドレイン領域、領域533はチャネル形成領域としての機能を有する。 Further, the region 531 shown in FIG. 16B has a function as a source region, a region 532 has a function as a drain region, and a region 533 has a function as a channel forming region.

また、導電膜440および導電膜450は単層で形成される例を図示しているが、二層以上の積層であってもよい。さらに、導電膜470は、導電膜471および導電膜472の二層で形成される例を図示しているが、一層または三層以上の積層であってもよい。当該構成は本実施の形態で説明する他のトランジスタにも適用できる。 Further, although the conductive film 440 and the conductive film 450 are shown in an example of being formed of a single layer, they may be laminated with two or more layers. Further, although the conductive film 470 is shown in an example of being formed of two layers of the conductive film 471 and the conductive film 472, it may be a single layer or a stack of three or more layers. The configuration can also be applied to other transistors described in this embodiment.

なお、必要に応じて絶縁膜480に平坦化膜としての機能を付加してもよい。 If necessary, the insulating film 480 may be provided with a function as a flattening film.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図16(C)、(D)に示す構成であってもよい。図16(C)はトランジスタ402の上面図である。また、図16(C)に示す一点鎖線C1−C2方向の断面が図16(D)に相当する。また、図16(C)に示す一点鎖線C3−C4方向の断面は、図18(B)に相当する。なお、一点鎖線C1−C2方向をチャネル長方向、一点鎖線C3−C4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 Further, the transistor of one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 16C and 16D. FIG. 16C is a top view of the transistor 402. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line C1-C2 shown in FIG. 16 (C) corresponds to FIG. 16 (D). Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line C3-C4 shown in FIG. 16C corresponds to FIG. 18B. The alternate long and short dash line C1-C2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line C3-C4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ402は、絶縁膜460の端部と導電膜470の端部を一致させない点が、トランジスタ401と異なる。トランジスタ402の構造は、導電膜440および導電膜450が絶縁膜460で広く覆われているため、導電膜440および導電膜450と、導電膜470の間の電気抵抗が高く、ゲートリーク電流の少ない特徴を有している。 The transistor 402 is different from the transistor 401 in that the end of the insulating film 460 and the end of the conductive film 470 do not match. In the structure of the transistor 402, since the conductive film 440 and the conductive film 450 are widely covered with the insulating film 460, the electric resistance between the conductive film 440 and the conductive film 450 and the conductive film 470 is high, and the gate leakage current is small. It has characteristics.

トランジスタ401およびトランジスタ402は、導電膜470と導電膜440および導電膜450が重なる領域を有するトップゲート構造である。当該領域のチャネル長方向の幅は、寄生容量を小さくするために3nm以上300nm未満とすることが好ましい。当該構成では、酸化物半導体膜430にオフセット領域が形成されないため、オン電流の高いトランジスタを形成しやすい。 The transistor 401 and the transistor 402 have a top gate structure having a region where the conductive film 470, the conductive film 440, and the conductive film 450 overlap. The width of the region in the channel length direction is preferably 3 nm or more and less than 300 nm in order to reduce the parasitic capacitance. In this configuration, since the offset region is not formed on the oxide semiconductor film 430, it is easy to form a transistor having a high on-current.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図16(E)、(F)に示す構成であってもよい。図16(E)はトランジスタ403の上面図である。また、図16(E)に示す一点鎖線D1−D2方向の断面が図16(F)に相当する。また、図16(E)に示す一点鎖線D3−D4方向の断面は、図18(A)に相当する。なお、一点鎖線D1−D2方向をチャネル長方向、一点鎖線D3−D4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 Further, the transistor of one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 16 (E) and 16 (F). FIG. 16E is a top view of the transistor 403. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line D1-D2 shown in FIG. 16 (E) corresponds to FIG. 16 (F). Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line D3-D4 shown in FIG. 16 (E) corresponds to FIG. 18 (A). The alternate long and short dash line D1-D2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line D3-D4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ403の絶縁膜420は基板415と接し、酸化物半導体膜430は絶縁膜420と接し、絶縁膜460は絶縁膜420および酸化物半導体膜430と接し、導電膜470は絶縁膜460と接し、絶縁膜475は絶縁膜420、酸化物半導体膜430および導電膜470と接し、絶縁膜480は絶縁膜475と接し、導電膜440および導電膜450は酸化物半導体膜430および絶縁膜480と接する。 The insulating film 420 of the transistor 403 is in contact with the substrate 415, the oxide semiconductor film 430 is in contact with the insulating film 420, the insulating film 460 is in contact with the insulating film 420 and the oxide semiconductor film 430, and the conductive film 470 is in contact with the insulating film 460. The insulating film 475 is in contact with the insulating film 420, the oxide semiconductor film 430 and the conductive film 470, the insulating film 480 is in contact with the insulating film 475, and the conductive film 440 and the conductive film 450 are in contact with the oxide semiconductor film 430 and the insulating film 480.

絶縁膜475および絶縁膜480に開口部が設けられ、当該開口部を通じて導電膜440および導電膜450が酸化物半導体膜430と電気的に接続されている。 An opening is provided in the insulating film 475 and the insulating film 480, and the conductive film 440 and the conductive film 450 are electrically connected to the oxide semiconductor film 430 through the opening.

なお、必要に応じて導電膜440、導電膜450および絶縁膜480に接する絶縁膜(平坦化膜)などを有していてもよい。 If necessary, it may have an insulating film (flattening film) in contact with the conductive film 440, the conductive film 450, and the insulating film 480.

また、酸化物半導体膜430において、絶縁膜475と接し、領域531と領域533に挟まれた領域を領域534とする。また、絶縁膜475と接し、領域532と領域533に挟まれた領域を領域535とする。 Further, in the oxide semiconductor film 430, a region in contact with the insulating film 475 and sandwiched between the region 531 and the region 533 is designated as the region 534. Further, the region in contact with the insulating film 475 and sandwiched between the region 532 and the region 533 is referred to as the region 535.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図17(A)、(B)に示す構成であってもよい。図17(A)はトランジスタ404の上面図である。また、図17(A)に示す一点鎖線E1−E2方向の断面が図17(B)に相当する。また、図17(A)に示す一点鎖線E3−E4方向の断面は、図18(A)に相当する。なお、一点鎖線E1−E2方向をチャネル長方向、一点鎖線E3−E4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 Further, the transistor of one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 17A and 17B. FIG. 17A is a top view of the transistor 404. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line E1-E2 shown in FIG. 17 (A) corresponds to FIG. 17 (B). The cross section in the direction of the alternate long and short dash line E3-E4 shown in FIG. 17 (A) corresponds to FIG. 18 (A). The alternate long and short dash line E1-E2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line E3-E4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ404の絶縁膜420は基板415と接し、酸化物半導体膜430は絶縁膜420と接し、導電膜440および導電膜450は絶縁膜420および酸化物半導体膜430と接し、絶縁膜460は絶縁膜420および酸化物半導体膜430と接し、導電膜470は絶縁膜460と接し、絶縁膜475は絶縁膜420、酸化物半導体膜430、導電膜440、導電膜450および導電膜470と接し、絶縁膜480は絶縁膜475と接する。 The insulating film 420 of the transistor 404 is in contact with the substrate 415, the oxide semiconductor film 430 is in contact with the insulating film 420, the conductive film 440 and the conductive film 450 are in contact with the insulating film 420 and the oxide semiconductor film 430, and the insulating film 460 is an insulating film. The conductive film 470 is in contact with the insulating film 420, the oxide semiconductor film 430, the conductive film 440, the conductive film 450 and the conductive film 470, and the conductive film 470 is in contact with the insulating film 420 and the oxide semiconductor film 430. 480 is in contact with the insulating film 475.

トランジスタ404は、導電膜440および導電膜450が酸化物半導体膜430の端部を覆うように接している点が、トランジスタ403と異なる。 The transistor 404 differs from the transistor 403 in that the conductive film 440 and the conductive film 450 are in contact with each other so as to cover the end portion of the oxide semiconductor film 430.

トランジスタ403およびトランジスタ404は導電膜470と、導電膜440および導電膜450が重なる領域を有さないセルフアライン構造である。セルフアライン構造のトランジスタはゲートと、ソースおよびドレインと、の寄生容量が極めて小さいため、高速動作用途に適している。 The transistor 403 and the transistor 404 have a self-aligned structure in which the conductive film 470 does not overlap with the conductive film 440 and the conductive film 450. Self-aligned transistors are suitable for high-speed operation applications because they have extremely small parasitic capacitances at the gate, source and drain.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図17(C)、(D)に示す構成であってもよい。図17(C)はトランジスタ405の上面図である。また、図17(C)に示す一点鎖線F1−F2方向の断面が図17(D)に相当する。また、図17(C)に示す一点鎖線F3−F4方向の断面は、図18(A)に相当する。なお、一点鎖線F1−F2方向をチャネル長方向、一点鎖線F3−F4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 Further, the transistor of one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 17 (C) and 17 (D). FIG. 17C is a top view of the transistor 405. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line F1-F2 shown in FIG. 17 (C) corresponds to FIG. 17 (D). Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line F3-F4 shown in FIG. 17C corresponds to FIG. 18A. The alternate long and short dash line F1-F2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line F3-F4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ405は、導電膜440が導電膜441と導電膜442の2層で形成され、導電膜450が導電膜451と導電膜452の2層で形成されている。また、絶縁膜420は基板415と接し、酸化物半導体膜430は絶縁膜420と接し、導電膜441および導電膜451は酸化物半導体膜430と接し、絶縁膜460は絶縁膜420、酸化物半導体膜430、導電膜441および導電膜451と接し、導電膜470は絶縁膜460と接し、絶縁膜475は絶縁膜420、導電膜441、導電膜451および導電膜470と接し、絶縁膜480は絶縁膜475と接し、導電膜442は導電膜441および絶縁膜480と接し、導電膜452は導電膜451および絶縁膜480と接する。 In the transistor 405, the conductive film 440 is formed of two layers of the conductive film 441 and the conductive film 442, and the conductive film 450 is formed of two layers of the conductive film 451 and the conductive film 452. Further, the insulating film 420 is in contact with the substrate 415, the oxide semiconductor film 430 is in contact with the insulating film 420, the conductive film 441 and the conductive film 451 are in contact with the oxide semiconductor film 430, and the insulating film 460 is in contact with the insulating film 420 and the oxide semiconductor. The conductive film 430, the conductive film 441 and the conductive film 451 are in contact with each other, the conductive film 470 is in contact with the insulating film 460, the insulating film 475 is in contact with the insulating film 420, the conductive film 441, the conductive film 451 and the conductive film 470, and the insulating film 480 is insulated. It is in contact with the film 475, the conductive film 442 is in contact with the conductive film 441 and the insulating film 480, and the conductive film 452 is in contact with the conductive film 451 and the insulating film 480.

ここで、導電膜441および導電膜451は、酸化物半導体膜430の上面と接し、側面には接しない構成となっている。 Here, the conductive film 441 and the conductive film 451 are configured to be in contact with the upper surface of the oxide semiconductor film 430 and not to the side surface.

なお、必要に応じて導電膜442、導電膜452および絶縁膜480に接する絶縁膜などを有していてもよい。 If necessary, the conductive film 442, the conductive film 452, and the insulating film in contact with the insulating film 480 may be provided.

また、導電膜441および導電膜451が酸化物半導体膜430と電気的に接続されている。そして、導電膜442が導電膜441と、導電膜452が導電膜451とそれぞれ電気的に接続されている。 Further, the conductive film 441 and the conductive film 451 are electrically connected to the oxide semiconductor film 430. The conductive film 442 is electrically connected to the conductive film 441, and the conductive film 452 is electrically connected to the conductive film 451.

酸化物半導体膜430において、導電膜441と重なる領域がソース領域としての機能を有する領域531となり、導電膜451と重なる領域ドレイン領域としての機能を有する領域532となる。 In the oxide semiconductor film 430, the region overlapping the conductive film 441 becomes a region 531 having a function as a source region, and a region 532 having a function as a region drain region overlapping the conductive film 451.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図17(E)、(F)に示す構成であってもよい。図17(E)はトランジスタ406の上面図である。また、図17(E)に示す一点鎖線G1−G2方向の断面が図17(F)に相当する。また、図17(E)に示す一点鎖線G3−G4方向の断面は、図18(A)に相当する。なお、一点鎖線G1−G2方向をチャネル長方向、一点鎖線G3−G4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 Further, the transistor of one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 17 (E) and 17 (F). FIG. 17 (E) is a top view of the transistor 406. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line G1-G2 shown in FIG. 17 (E) corresponds to FIG. 17 (F). The cross section in the direction of the alternate long and short dash line G3-G4 shown in FIG. 17 (E) corresponds to FIG. 18 (A). The alternate long and short dash line G1-G2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line G3-G4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ406は、導電膜440が導電膜441および導電膜442の2層で形成され、導電膜450が導電膜451および導電膜452の2層で形成されている点が、トランジスタ403と異なる。 The transistor 406 is different from the transistor 403 in that the conductive film 440 is formed of two layers of the conductive film 441 and the conductive film 442, and the conductive film 450 is formed of two layers of the conductive film 451 and the conductive film 452.

トランジスタ405およびトランジスタ406の構成では、導電膜440および導電膜450が絶縁膜420と接しない構成であるため、絶縁膜420中の酸素が導電膜440および導電膜450に奪われにくくなり、絶縁膜420から酸化物半導体膜430中への酸素の供給を容易とすることができる。 In the configuration of the transistor 405 and the transistor 406, since the conductive film 440 and the conductive film 450 are not in contact with the insulating film 420, oxygen in the insulating film 420 is less likely to be taken away by the conductive film 440 and the conductive film 450, and the insulating film The supply of oxygen from the 420 into the oxide semiconductor film 430 can be facilitated.

なお、トランジスタ403、トランジスタ404およびトランジスタ406における領域534および領域535には、酸素欠損を形成し導電率を高めるための不純物を添加してもよい。酸化物半導体膜に酸素欠損を形成する不純物としては、例えば、リン、砒素、アンチモン、ホウ素、アルミニウム、シリコン、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、インジウム、フッ素、塩素、チタン、亜鉛、および炭素のいずれかから選択される一つ以上を用いることができる。当該不純物の添加方法としては、プラズマ処理法、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。 In addition, impurities for forming oxygen deficiency and increasing conductivity may be added to the regions 534 and 535 of the transistor 403, the transistor 404, and the transistor 406. As impurities that form oxygen deficiency in the oxide semiconductor film, for example, phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, silicon, nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, indium, fluorine, chlorine, titanium, zinc, etc. And one or more selected from any of carbon can be used. As a method for adding the impurities, a plasma treatment method, an ion implantation method, an ion doping method, a plasma imaging ion implantation method, or the like can be used.

不純物元素として、上記元素が酸化物半導体膜に添加されると、酸化物半導体膜中の金属元素および酸素の結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸化物半導体膜に含まれる酸素欠損と酸化物半導体膜中に残存または後から添加される水素の相互作用により、酸化物半導体膜の導電率を高くすることができる。 When the above element is added to the oxide semiconductor film as an impurity element, the bond between the metal element and oxygen in the oxide semiconductor film is broken, and an oxygen deficiency is formed. The conductivity of the oxide semiconductor film can be increased by the interaction between the oxygen deficiency contained in the oxide semiconductor film and hydrogen remaining in the oxide semiconductor film or added later.

なお、不純物元素の添加により酸素欠損が形成された酸化物半導体に水素を添加すると、酸素欠損サイトに水素が入り伝導帯近傍にドナー準位が形成される。その結果、酸化物導電体を形成することができる。ここでは、導電体化された酸化物半導体を酸化物導電体という。なお、酸化物導電体は酸化物半導体と同様に透光性を有する。 When hydrogen is added to an oxide semiconductor in which oxygen deficiency is formed by the addition of an impurity element, hydrogen enters the oxygen deficient site and a donor level is formed in the vicinity of the conduction band. As a result, an oxide conductor can be formed. Here, the oxide semiconductor made into a conductor is referred to as an oxide conductor. The oxide conductor has translucency like the oxide semiconductor.

酸化物導電体は、縮退半導体であり、伝導帯端とフェルミ準位とが一致または略一致していると推定される。このため、酸化物導電体膜とソースおよびドレインとしての機能を有する導電膜との接触はオーミック接触であり、酸化物導電体膜と、ソースおよびドレインとしての機能を有する導電膜と、の接触抵抗を低減することができる。 The oxide conductor is a degenerate semiconductor, and it is presumed that the conduction band edge and the Fermi level coincide with or substantially coincide with each other. Therefore, the contact between the oxide conductor film and the conductive film having a function as a source and a drain is ohmic contact, and the contact resistance between the oxide conductor film and the conductive film having a function as a source and a drain. Can be reduced.

また、図16乃至図18におけるトランジスタ401乃至トランジスタ406では、酸化物半導体膜430が単層である例を図示したが、酸化物半導体膜430は積層であってもよい。図19(A)は酸化物半導体膜430の上面図であり、図19(B)、(C)は、酸化物半導体膜430aおよび酸化物半導体膜430bの二層構造を有する酸化物半導体膜430の断面図である。また、図19(D)、(E)は、酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430bおよび酸化物半導体膜430cの三層構造を有する酸化物半導体膜430の断面図である。 Further, in the transistors 401 to 406 in FIGS. 16 to 18, an example in which the oxide semiconductor film 430 is a single layer is shown, but the oxide semiconductor film 430 may be laminated. 19 (A) is a top view of the oxide semiconductor film 430, and FIGS. 19 (B) and 19 (C) are an oxide semiconductor film 430 having a two-layer structure of the oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430b. It is a cross-sectional view of. 19 (D) and 19 (E) are cross-sectional views of the oxide semiconductor film 430 having a three-layer structure of the oxide semiconductor film 430a, the oxide semiconductor film 430b, and the oxide semiconductor film 430c.

なお、酸化物半導体膜430aおよび酸化物半導体膜430cは、チャネル領域を形成しないため絶縁膜と呼ぶこともできる。 Since the oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430c do not form a channel region, they can also be called an insulating film.

酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b、酸化物半導体膜430cには、それぞれ組成の異なる酸化物半導体膜などを用いることができる。 For the oxide semiconductor film 430a, the oxide semiconductor film 430b, and the oxide semiconductor film 430c, oxide semiconductor films having different compositions can be used.

トランジスタ401乃至トランジスタ406の酸化物半導体膜430は、図19(B)、(C)または図19(D)、(E)に示す酸化物半導体膜430と入れ替えることができる。 The oxide semiconductor film 430 of the transistors 401 to 406 can be replaced with the oxide semiconductor film 430 shown in FIGS. 19 (B), (C) or 19 (D), (E).

また、本発明の一態様のトランジスタは、図20乃至図22に示す構成であってもよい。図20(A)、(C)、(E)および図21(A)、(C)、(E)はトランジスタ407乃至トランジスタ412の上面図である。また、図20(A)、(C)、(E)および図21(A)、(C)、(E)に示す一点鎖線H1−H2方向乃至M1−M2方向の断面が図20(B)、(D)、(F)および図21(B)、(D)、(F)に相当する。また、図20(A)、(E)および図21(A)、(C)、(E)に示す一点鎖線H3−H4およびJ3−J4乃至M3−M4方向の断面が図22(A)に相当する。さらに、図20(C)に示す一点鎖線I3−I4方向の断面が図22(B)に相当する。なお、一点鎖線H1−H2方向乃至M1−M2方向をチャネル長方向、一点鎖線H3−H4方向乃至M3−M4方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。 Further, the transistor of one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 20 to 22. 20 (A), (C), (E) and 21 (A), (C), (E) are top views of transistors 407 to 412. Further, the cross section of the alternate long and short dash line H1-H2 direction to M1-M2 direction shown in FIGS. 20 (A), (C), (E) and 21 (A), (C), (E) is shown in FIG. 20 (B). , (D), (F) and FIGS. 21 (B), (D), (F). Further, the cross sections in the directions of the alternate long and short dash lines H3-H4 and J3-J4 to M3-M4 shown in FIGS. 20 (A) and 20 (A) and 21 (A), (C) and (E) are shown in FIG. 22 (A). Equivalent to. Further, the cross section in the direction of the alternate long and short dash line I3-I4 shown in FIG. 20 (C) corresponds to FIG. 22 (B). The alternate long and short dash line H1-H2 direction to M1-M2 direction may be referred to as the channel length direction, and the alternate long and short dash line H3-H4 direction to M3-M4 direction may be referred to as the channel width direction.

トランジスタ407およびトランジスタ408は、領域531および領域532において酸化物半導体膜430が二層(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b)である点、領域533において酸化物半導体膜430が三層(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b、酸化物半導体膜430c)である点、および導電膜440および導電膜450と、絶縁膜460と、の間に酸化物半導体膜の一部(酸化物半導体膜430c)が介在している点を除き、トランジスタ401およびトランジスタ402と同様の構成を有する。 In the transistor 407 and the transistor 408, the oxide semiconductor film 430 has two layers (oxide semiconductor film 430a, oxide semiconductor film 430b) in the region 531 and the region 532, and the oxide semiconductor film 430 has three layers (oxide semiconductor film 430a, oxide semiconductor film 430b) in the region 533. Oxide semiconductor film 430a, oxide semiconductor film 430b, oxide semiconductor film 430c), and a part of the oxide semiconductor film (oxide) between the conductive film 440 and the conductive film 450 and the insulating film 460. It has the same configuration as the transistor 401 and the transistor 402 except that the semiconductor film 430c) is interposed.

トランジスタ409、トランジスタ410およびトランジスタ412は、領域531、領域532、領域534および領域535において酸化物半導体膜430が二層(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b)である点、領域533において酸化物半導体膜430が三層(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b、酸化物半導体膜430c)である点を除き、トランジスタ403、トランジスタ404およびトランジスタ406と同様の構成を有する。 In the region 533, the transistor 409, the transistor 410, and the transistor 412 have two layers (oxide semiconductor film 430a, oxide semiconductor film 430b) of the oxide semiconductor film 430 in the regions 531 and 532, the region 534, and the region 535. It has the same configuration as the transistor 403, the transistor 404, and the transistor 406, except that the oxide semiconductor film 430 has three layers (oxide semiconductor film 430a, oxide semiconductor film 430b, and oxide semiconductor film 430c).

トランジスタ411は、領域531および領域532において酸化物半導体膜430が二層(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b)である点、領域533において酸化物半導体膜430が三層(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b、酸化物半導体膜430c)である点、ならびに導電膜441および導電膜451と、絶縁膜460と、の間に酸化物半導体膜の一部(酸化物半導体膜430c)が介在している点を除き、トランジスタ405と同様の構成を有する。 In the transistor 411, the oxide semiconductor film 430 has two layers (oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430b) in the region 531 and the region 532, and the oxide semiconductor film 430 has three layers (oxide semiconductor) in the region 533. A part of the oxide semiconductor film (oxide semiconductor film 430c) between the film 430a, the oxide semiconductor film 430b, the oxide semiconductor film 430c), and the conductive film 441 and the conductive film 451 and the insulating film 460. ) Is intervened, and has the same configuration as the transistor 405.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図23(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)および図24(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)に示すトランジスタ401乃至トランジスタ412のチャネル長方向の断面図、ならびに図18(C)に示すトランジスタ401乃至トランジスタ406のチャネル幅方向の断面図および図22(C)に示すトランジスタ407乃至トランジスタ412のチャネル幅方向の断面図のように、酸化物半導体膜430と基板415との間に導電膜473を備えていてもよい。導電膜473を第2のゲート(バックゲートともいう)として用いることで、酸化物半導体膜430のチャネル形成領域は、導電膜470と導電膜473により電気的に取り囲まれる。このようなトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。これにより、オン電流を増加させることができる。また、しきい値電圧の制御を行うことができる。なお、図23(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)および図24(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)に示す断面図において、導電膜473の幅を酸化物半導体膜430よりも短くしてもよい。さらに、導電膜473の幅を導電膜470の幅よりも短くしてもよい。 Further, the transistors according to one aspect of the present invention are shown in FIGS. 23 (A), (B), (C), (D), (E), (F) and 24 (A), (B), (C). , (D), (E), (F), a cross-sectional view of the transistors 401 to 412 in the channel length direction, and FIG. 18 (C), a cross-sectional view of the transistors 401 to 406 in the channel width direction, and FIG. 22. As shown in the cross-sectional view of the transistors 407 to 412 in the channel width direction shown in (C), a conductive film 473 may be provided between the oxide semiconductor film 430 and the substrate 415. By using the conductive film 473 as a second gate (also referred to as a back gate), the channel forming region of the oxide semiconductor film 430 is electrically surrounded by the conductive film 470 and the conductive film 473. The structure of such a transistor is called a surroundd channel (s-channel) structure. This makes it possible to increase the on-current. In addition, the threshold voltage can be controlled. It should be noted that FIGS. 23 (A), (B), (C), (D), (E), (F) and 24 (A), (B), (C), (D), (E), In the cross-sectional view shown in (F), the width of the conductive film 473 may be shorter than that of the oxide semiconductor film 430. Further, the width of the conductive film 473 may be shorter than the width of the conductive film 470.

オン電流を増加させるには、例えば、導電膜470と導電膜473を同電位とし、ダブルゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、導電膜470とは異なる定電位を導電膜473に供給すればよい。導電膜470と導電膜473を同電位とするには、例えば、図18(D)および図22(D)に示すように、導電膜470と導電膜473とをコンタクトホールを介して電気的に接続すればよい。 In order to increase the on-current, for example, the conductive film 470 and the conductive film 473 may have the same potential and be driven as a double gate transistor. Further, in order to control the threshold voltage, a constant potential different from that of the conductive film 470 may be supplied to the conductive film 473. In order to make the conductive film 470 and the conductive film 473 have the same potential, for example, as shown in FIGS. 18 (D) and 22 (D), the conductive film 470 and the conductive film 473 are electrically connected through a contact hole. Just connect.

また、本発明の一態様のトランジスタは、図25(A)、(B)、(C)に示す構成とすることもできる。図25(A)は上面図である。また、図25(B)は、図25(A)に示す一点鎖線N1−N2に対応する断面図である。また、図25(C)は、図25(A)に示す一点鎖線N3−N4に対応する断面図である。なお、図25(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 Further, the transistor according to one aspect of the present invention may have the configuration shown in FIGS. 25 (A), 25 (B), and (C). FIG. 25A is a top view. Further, FIG. 25 (B) is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line N1-N2 shown in FIG. 25 (A). Further, FIG. 25 (C) is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line N3-N4 shown in FIG. 25 (A). In the top view of FIG. 25A, some elements are omitted for the sake of clarity.

トランジスタ413の絶縁膜420は基板415と接し、酸化物半導体膜430(酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430bおよび酸化物半導体膜430c)は絶縁膜420と接し、導電膜440および導電膜450は酸化物半導体膜430bと接し、絶縁膜460は酸化物半導体膜430cと接し、導電膜470は絶縁膜460と接し、絶縁膜480は絶縁膜420、導電膜440および導電膜450と接する。なお、酸化物半導体膜430c、絶縁膜460および導電膜470は、絶縁膜480に設けられ、酸化物半導体膜430bに達する開口部に設けられている。 The insulating film 420 of the transistor 413 is in contact with the substrate 415, and the oxide semiconductor film 430 (oxide semiconductor film 430a, oxide semiconductor film 430b and oxide semiconductor film 430c) is in contact with the insulating film 420, and the conductive film 440 and the conductive film 450 are in contact with each other. Is in contact with the oxide semiconductor film 430b, the insulating film 460 is in contact with the oxide semiconductor film 430c, the conductive film 470 is in contact with the insulating film 460, and the insulating film 480 is in contact with the insulating film 420, the conductive film 440 and the conductive film 450. The oxide semiconductor film 430c, the insulating film 460, and the conductive film 470 are provided in the insulating film 480 and are provided in the opening reaching the oxide semiconductor film 430b.

トランジスタ413の構成は、前述したその他のトランジスタの構成と比較して、導電膜440または導電膜450と、導電膜470と、が重なる領域が少ないため、寄生容量を小さくすることができる。したがって、トランジスタ413は、高速動作を必要とする回路の要素として適している。なお、トランジスタ413の上面は、図25(B)、(C)に示すようにCMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを用いて平坦化することが好ましいが、平坦化しない構成とすることもできる。 In the configuration of the transistor 413, the parasitic capacitance can be reduced because the region where the conductive film 440 or the conductive film 450 and the conductive film 470 overlap is smaller than the configuration of the other transistors described above. Therefore, the transistor 413 is suitable as an element of a circuit that requires high-speed operation. The upper surface of the transistor 413 is preferably flattened by using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like as shown in FIGS. 25 (B) and 25 (C), but it may not be flattened.

また、本発明の一態様のトランジスタにおける導電膜440および導電膜450は、図26(A)に示す上面図のように酸化物半導体膜の幅(WOS)よりも導電膜440および導電膜450の幅(WSD)が長く形成されていてもよいし、図26(B)に示す上面図のように短く形成されていてもよい。特に、WOS≧WSD(WSDはWOS以下)とすることで、ゲート電界が酸化物半導体膜430全体にかかりやすくなり、トランジスタの電気特性を向上させることができる。また、図26(C)に示すように、導電膜440および導電膜450が酸化物半導体膜430と重なる領域のみに形成されていてもよい。 Further, the conductive film 440 and the conductive film 450 in the transistor of one aspect of the present invention are the conductive film 440 and the conductive film 450 rather than the width ( WOS ) of the oxide semiconductor film as shown in the top view shown in FIG. 26 (A). The width ( WSD ) of the above may be formed to be long, or may be formed to be short as shown in the top view shown in FIG. 26 (B). In particular, by setting W OS ≥ W SD (W SD is W OS or less), the gate electric field is likely to be applied to the entire oxide semiconductor film 430, and the electrical characteristics of the transistor can be improved. Further, as shown in FIG. 26C, the conductive film 440 and the conductive film 450 may be formed only in the region overlapping the oxide semiconductor film 430.

なお、図26(A)、(B)、(C)において、酸化物半導体膜430、導電膜440および導電膜450のみ図示している。 In FIGS. 26A, 26B, and 26C, only the oxide semiconductor film 430, the conductive film 440, and the conductive film 450 are shown.

また、酸化物半導体膜430aおよび酸化物半導体膜430bを有するトランジスタ、ならびに酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430bおよび酸化物半導体膜430cを有するトランジスタにおいては、酸化物半導体膜430を構成する二層または三層の材料を適切に選択することで酸化物半導体膜430bに電流を流すことができる。酸化物半導体膜430bに電流が流れることで、界面散乱の影響を受けにくく、高いオン電流を得ることができる。したがって、酸化物半導体膜430bを厚くすることでオン電流が向上する場合がある。 Further, in the transistor having the oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430b, and the transistor having the oxide semiconductor film 430a, the oxide semiconductor film 430b and the oxide semiconductor film 430c, the oxide semiconductor film 430 is formed. By appropriately selecting the material of the layer or the three layers, a current can be passed through the oxide semiconductor film 430b. Since the current flows through the oxide semiconductor film 430b, it is not easily affected by interfacial scattering, and a high on-current can be obtained. Therefore, the on-current may be improved by thickening the oxide semiconductor film 430b.

以上の構成のトランジスタを用いることにより、半導体装置に良好な電気特性を付与することができる。 By using the transistor having the above configuration, it is possible to impart good electrical characteristics to the semiconductor device.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The configuration shown in this embodiment can be used in combination with the configuration shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態4に示したトランジスタの構成要素について詳細を説明する。
(Embodiment 5)
In the present embodiment, the components of the transistor shown in the fourth embodiment will be described in detail.

<基板>
基板415には、ガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミックス基板、表面が絶縁処理された金属基板などを用いることができる。または、トランジスタやフォトダイオードが形成されたシリコン基板、および当該シリコン基板上に絶縁膜、配線、コンタクトプラグとして機能を有する導電体などが形成されたものを用いることができる。なお、シリコン基板にp−ch型のトランジスタを形成する場合は、n型の導電型を有するシリコン基板を用いることが好ましい。または、n型またはi型のシリコン層を有するSOI基板であってもよい。また、シリコン基板に設けるトランジスタがp−ch型である場合は、トランジスタを形成する面の面方位は、(110)面であるシリコン基板を用いることが好ましい。(110)面にp−ch型トランジスタを形成することで、移動度を高くすることができる。
<Board>
As the substrate 415, a glass substrate, a quartz substrate, a semiconductor substrate, a ceramic substrate, a metal substrate whose surface is insulated, or the like can be used. Alternatively, a silicon substrate on which a transistor or a photodiode is formed, or a silicon substrate on which an insulating film, wiring, a conductor having a function as a contact plug, or the like is formed can be used. When forming a p-ch type transistor on a silicon substrate, it is preferable to use a silicon substrate having an n - type conductive type. Alternatively, it may be an SOI substrate having an n - type or i-type silicon layer. When the transistor provided on the silicon substrate is of the p-ch type, it is preferable to use the silicon substrate having the (110) plane as the plane orientation of the surface on which the transistor is formed. By forming the p-ch type transistor on the (110) plane, the mobility can be increased.

<下地絶縁膜>
下地絶縁膜としての機能を有する絶縁膜420は、基板415に含まれる要素からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体膜430に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、絶縁膜420は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。例えば、膜の表面温度が100℃以上700℃以下、好ましくは100℃以上500℃以下の加熱処理で行われるTDS法にて、酸素原子に換算した酸素の放出量が1.0×1019atoms/cm以上である膜とする。また、基板415が他のデバイスが形成された基板である場合、絶縁膜420は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにCMP法などで平坦化処理を行うことが好ましい。
<Base insulating film>
The insulating film 420 having a function as an underlying insulating film has a role of preventing the diffusion of impurities from the elements contained in the substrate 415 and also can play a role of supplying oxygen to the oxide semiconductor film 430. Therefore, the insulating film 420 is preferably an insulating film containing oxygen, and more preferably an insulating film containing more oxygen than the stoichiometric composition. For example, in the TDS method in which the surface temperature of the film is 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, the amount of oxygen released in terms of oxygen atoms is 1.0 × 10 19 atoms. The film is / cm 3 or more. Further, when the substrate 415 is a substrate on which another device is formed, the insulating film 420 also has a function as an interlayer insulating film. In that case, it is preferable to perform a flattening treatment by a CMP method or the like so that the surface becomes flat.

例えば、絶縁膜420には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、またはこれらの混合材料を用いることができる。また、上記材料の積層であってもよい。 For example, the insulating film 420 is provided with an oxide insulating film such as aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide and tantalum oxide. , A nitride insulating film such as silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, or a mixed material thereof can be used. Further, the above materials may be laminated.

<酸化物半導体膜>
酸化物半導体膜430は、酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430bおよび酸化物半導体膜430cを絶縁膜420側から順に積んだ三層構造とすることができる。
<Oxide semiconductor film>
The oxide semiconductor film 430 can have a three-layer structure in which the oxide semiconductor film 430a, the oxide semiconductor film 430b, and the oxide semiconductor film 430c are stacked in order from the insulating film 420 side.

なお、酸化物半導体膜430が単層の場合は、本実施の形態に示す、酸化物半導体膜430bに相当する層を用いればよい。 When the oxide semiconductor film 430 is a single layer, the layer corresponding to the oxide semiconductor film 430b shown in the present embodiment may be used.

また、酸化物半導体膜430が二層の場合は、酸化物半導体膜430aに相当する層および酸化物半導体膜430bに相当する層を絶縁膜420側から順に積んだ積層を用いればよい。この構成の場合、酸化物半導体膜430aと酸化物半導体膜430bとを入れ替えることもできる。 When the oxide semiconductor film 430 has two layers, a laminate in which a layer corresponding to the oxide semiconductor film 430a and a layer corresponding to the oxide semiconductor film 430b are stacked in order from the insulating film 420 side may be used. In the case of this configuration, the oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430b can be interchanged.

一例としては、酸化物半導体膜430bには、酸化物半導体膜430aおよび酸化物半導体膜430cよりも電子親和力(真空準位から伝導帯下端までのエネルギー)が大きい酸化物半導体を用いる。 As an example, as the oxide semiconductor film 430b, an oxide semiconductor having a higher electron affinity (energy from the vacuum level to the lower end of the conduction band) than the oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430c is used.

このような構造において、導電膜470に電界を印加すると、酸化物半導体膜430のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体膜430bにチャネルが形成される。したがって、酸化物半導体膜430bは半導体として機能する領域を有するといえるが、酸化物半導体膜430aおよび酸化物半導体膜430cは絶縁体または半絶縁体として機能する領域を有するともいえる。 In such a structure, when an electric field is applied to the conductive film 470, a channel is formed in the oxide semiconductor film 430b having the smallest energy at the lower end of the conduction band among the oxide semiconductor films 430. Therefore, it can be said that the oxide semiconductor film 430b has a region that functions as a semiconductor, but it can also be said that the oxide semiconductor film 430a and the oxide semiconductor film 430c have a region that functions as an insulator or a semi-insulator.

また、酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430b、および酸化物半導体膜430cとして用いることのできる酸化物半導体は、少なくともInもしくはZnを含むことが好ましい。または、InとZnの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。 Further, the oxide semiconductor that can be used as the oxide semiconductor film 430a, the oxide semiconductor film 430b, and the oxide semiconductor film 430c preferably contains at least In or Zn. Alternatively, it is preferable to contain both In and Zn. Further, in order to reduce variations in the electrical characteristics of transistors using the oxide semiconductor, it is preferable to include a stabilizer together with them.

スタビライザーとしては、Ga、Sn、Hf、Al、またはZrなどがある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなどがある。 Stabilizers include Ga, Sn, Hf, Al, Zr and the like. In addition, other stabilizers include lanthanoids such as La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.

酸化物半導体膜430a、酸化物半導体膜430bおよび酸化物半導体膜430cには、結晶部が含まれることが好ましい。特にc軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。また、c軸に配向した結晶は歪曲に強く、フレキシブル基板を用いた半導体装置の信頼性を向上させることができる。 The oxide semiconductor film 430a, the oxide semiconductor film 430b, and the oxide semiconductor film 430c preferably include a crystal portion. In particular, by using a crystal oriented on the c-axis, stable electrical characteristics can be imparted to the transistor. Further, the crystal oriented on the c-axis is resistant to distortion, and the reliability of the semiconductor device using the flexible substrate can be improved.

<ソース電極およびドレイン電極>
ソース電極として作用する導電膜440およびドレイン電極として作用する導電膜450には、例えば、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W、Ni、Mn、Nd、Sc、および当該金属材料の合金から選ばれた材料の単層、または積層を用いることができる。代表的には、特に酸素と結合しやすいTiや、後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いWを用いることがより好ましい。また、低抵抗のCuやCu−Mnなどの合金と上記材料との積層を用いてもよい。トランジスタ405、トランジスタ406、トランジスタ411、トランジスタ412においては、例えば、導電膜441および導電膜451にW、導電膜442および導電膜452にTiとAlとの積層膜などを用いることができる。
<Source electrode and drain electrode>
The conductive film 440 acting as a source electrode and the conductive film 450 acting as a drain electrode include, for example, an alloy of Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W, Ni, Mn, Nd, Sc, and the metal material. A single layer or a laminate of materials selected from the above can be used. Typically, it is more preferable to use W, which has a high melting point, because Ti, which is particularly easy to bond with oxygen, and the subsequent process temperature can be relatively high. Further, a laminate of a low resistance alloy such as Cu or Cu-Mn and the above material may be used. In the transistor 405, the transistor 406, the transistor 411, and the transistor 412, for example, W can be used for the conductive film 441 and 451 and a laminated film of Ti and Al can be used for the conductive film 442 and the conductive film 452.

上記材料は酸化物半導体膜から酸素を引き抜く性質を有する。そのため、上記材料と接した酸化物半導体膜の一部の領域では酸化物半導体膜中の酸素が脱離し、酸素欠損が形成される。膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域は顕著にn型化する。したがって、n型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。 The above-mentioned material has a property of extracting oxygen from an oxide semiconductor film. Therefore, oxygen in the oxide semiconductor film is desorbed in a part of the region of the oxide semiconductor film in contact with the material, and oxygen deficiency is formed. The region is remarkably n-shaped due to the combination of a small amount of hydrogen contained in the membrane and the oxygen deficiency. Therefore, the n-type region can act as a source or drain of a transistor.

また、導電膜440および導電膜450にWを用いる場合には、窒素をドーピングしてもよい。窒素をドーピングすることで酸素を引き抜く性質を適度に弱めることができ、n型化した領域がチャネル領域まで拡大することを防ぐことができる。また、導電膜440および導電膜450をn型の半導体層との積層とし、n型の半導体層と酸化物半導体膜を接触させることによってもn型化した領域がチャネル領域まで拡大することを防ぐことができる。n型の半導体層としては、窒素が添加されたIn−Ga−Zn酸化物、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズなどを用いることができる。 Further, when W is used for the conductive film 440 and the conductive film 450, nitrogen may be doped. By doping with nitrogen, the property of extracting oxygen can be appropriately weakened, and it is possible to prevent the n-type region from expanding to the channel region. Further, the conductive film 440 and the conductive film 450 are laminated with the n-type semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer and the oxide semiconductor film are brought into contact with each other to prevent the n-type region from expanding to the channel region. be able to. As the n-type semiconductor layer, nitrogen-added In-Ga-Zn oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, indium tin oxide and the like can be used.

<ゲート絶縁膜>
ゲート絶縁膜として作用する絶縁膜460には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜460は上記材料の積層であってもよい。なお、絶縁膜460に、La、N、Zrなどを、不純物として含んでいてもよい。
<Gate insulating film>
The insulating film 460 that acts as a gate insulating film includes aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon nitride nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, and neodymium oxide. An insulating film containing one or more of hafnium oxide and tantalum oxide can be used. Further, the insulating film 460 may be a laminate of the above materials. The insulating film 460 may contain La, N, Zr and the like as impurities.

また、絶縁膜460の積層構造の一例について説明する。絶縁膜460は、例えば、酸素、窒素、シリコン、ハフニウムなどを有する。具体的には、酸化ハフニウム、および酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むと好ましい。 Moreover, an example of the laminated structure of the insulating film 460 will be described. The insulating film 460 has, for example, oxygen, nitrogen, silicon, hafnium and the like. Specifically, it is preferable to contain hafnium oxide and silicon oxide or silicon nitride nitride.

酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムは、酸化シリコンや酸化窒化シリコンと比べて比誘電率が高い。したがって、酸化シリコンを用いた場合と比べて、絶縁膜460の膜厚を大きくできるため、トンネル電流によるリーク電流を小さくすることができる。即ち、オフ電流の小さいトランジスタを実現することができる。さらに、結晶構造を有する酸化ハフニウムは、非晶質構造を有する酸化ハフニウムと比べて高い比誘電率を備える。したがって、オフ電流の小さいトランジスタとするためには、結晶構造を有する酸化ハフニウムを用いることが好ましい。結晶構造の例としては、単斜晶系や立方晶系などが挙げられる。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。 Hafnium oxide and aluminum oxide have a higher relative permittivity than silicon oxide and silicon nitride. Therefore, since the film thickness of the insulating film 460 can be increased as compared with the case where silicon oxide is used, the leakage current due to the tunnel current can be reduced. That is, it is possible to realize a transistor having a small off-current. Further, hafnium oxide having a crystal structure has a higher relative permittivity than hafnium oxide having an amorphous structure. Therefore, in order to obtain a transistor having a small off-current, it is preferable to use hafnium oxide having a crystal structure. Examples of the crystal structure include a monoclinic system and a cubic system. However, one aspect of the present invention is not limited to these.

また、酸化物半導体膜430と接する絶縁膜420および絶縁膜460は、窒素酸化物の放出量の少ない膜を用いることが好ましい。窒素酸化物の放出量の多い絶縁膜と酸化物半導体が接した場合、窒素酸化物に起因する準位密度が高くなることがある。絶縁膜420および絶縁膜460には、例えば、窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜または酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜を用いることができる。 Further, as the insulating film 420 and the insulating film 460 in contact with the oxide semiconductor film 430, it is preferable to use films having a small amount of nitrogen oxides released. When an insulating film that emits a large amount of nitrogen oxides is in contact with an oxide semiconductor, the level density due to nitrogen oxides may increase. As the insulating film 420 and the insulating film 460, for example, an oxide insulating film such as a silicon oxide film or an aluminum nitride film that emits a small amount of nitrogen oxides can be used.

窒素酸化物の放出量の少ない酸化窒化シリコン膜は、TDS法において、窒素酸化物の放出量よりアンモニアの放出量が多い膜であり、代表的にはアンモニアの放出量が1×1018/cm以上5×1019/cm以下である。なお、アンモニアの放出量は、膜の表面温度が50℃以上650℃以下、好ましくは50℃以上550℃以下の加熱処理による放出量とする。 A silicon oxynitride film with a small amount of nitrogen oxides released is a film that releases more ammonia than the amount of nitrogen oxides released in the TDS method, and typically emits 1 × 10 18 / cm of ammonia. 3 or more and 5 × 10 19 / cm 3 or less. The amount of ammonia released is the amount released by heat treatment at which the surface temperature of the film is 50 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.

絶縁膜420および絶縁膜460として、上記酸化物絶縁膜を用いることで、トランジスタのしきい値電圧のシフトを低減することが可能であり、トランジスタの電気特性の変動を低減することができる。 By using the oxide insulating film as the insulating film 420 and the insulating film 460, it is possible to reduce the shift of the threshold voltage of the transistor, and it is possible to reduce the fluctuation of the electrical characteristics of the transistor.

<ゲート電極>
ゲート電極として作用する導電膜470には、例えば、Al、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Ag、Mn、Nd、Sc、TaおよびWなどの導電膜を用いることができる。また、上記材料の合金や上記材料の導電性窒化物を用いてもよい。また、上記材料、上記材料の合金、および上記材料の導電性窒化物から選ばれた複数の材料の積層であってもよい。代表的には、タングステン、タングステンと窒化チタンの積層、タングステンと窒化タンタルの積層などを用いることができる。また、低抵抗のCuまたはCu−Mnなどの合金や上記材料とCuまたはCu−Mnなどの合金との積層を用いてもよい。本実施の形態では、導電膜471に窒化タンタル、導電膜472にタングステンを用いて導電膜470を形成する。
<Gate electrode>
As the conductive film 470 acting as a gate electrode, for example, conductive films such as Al, Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ru, Ag, Mn, Nd, Sc, Ta and W are used. be able to. Further, an alloy of the above material or a conductive nitride of the above material may be used. Further, a plurality of materials selected from the above materials, alloys of the above materials, and conductive nitrides of the above materials may be laminated. Typically, tungsten, a laminate of tungsten and titanium nitride, a laminate of tungsten and tantalum nitride, and the like can be used. Further, a low-resistance alloy such as Cu or Cu-Mn or a laminate of the above material and an alloy such as Cu or Cu-Mn may be used. In the present embodiment, tantalum nitride is used for the conductive film 471 and tungsten is used for the conductive film 472 to form the conductive film 470.

<保護絶縁膜>
保護絶縁膜としての機能を有する絶縁膜475には、水素を含む窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜などを用いることができる。実施の形態4に示したトランジスタ403、トランジスタ404、トランジスタ406、トランジスタ409、トランジスタ410、およびトランジスタ412では、絶縁膜475として水素を含む絶縁膜を用いることで酸化物半導体膜の一部をn型化することができる。また、窒化絶縁膜は水分などのブロッキング膜としての作用も有し、トランジスタの信頼性を向上させることができる。
<Protective insulating film>
As the insulating film 475 having a function as a protective insulating film, a silicon nitride film containing hydrogen, an aluminum nitride film, or the like can be used. In the transistor 403, transistor 404, transistor 406, transistor 409, transistor 410, and transistor 412 shown in the fourth embodiment, a part of the oxide semiconductor film is n-type by using an insulating film containing hydrogen as the insulating film 475. Can be transformed into. In addition, the nitride insulating film also acts as a blocking film for moisture and the like, and can improve the reliability of the transistor.

また、絶縁膜475としては酸化アルミニウム膜を用いることもできる。特に、実施の形態4に示したトランジスタ401、トランジスタ402、トランジスタ405、トランジスタ407、トランジスタ408、およびトランジスタ411では絶縁膜475に酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物の酸化物半導体膜430への混入防止、酸素の酸化物半導体膜からの放出防止、絶縁膜420からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体膜中に拡散させることもできる。 Further, an aluminum oxide film can also be used as the insulating film 475. In particular, in the transistor 401, the transistor 402, the transistor 405, the transistor 407, the transistor 408, and the transistor 411 shown in the fourth embodiment, it is preferable to use an aluminum oxide film as the insulating film 475. The aluminum oxide film has a high blocking effect that does not allow the film to permeate both impurities such as hydrogen and water, and oxygen. Therefore, the aluminum oxide film prevents impurities such as hydrogen and moisture from being mixed into the oxide semiconductor film 430, prevents oxygen from being released from the oxide semiconductor film, and from the insulating film 420 during and after the manufacturing process of the transistor. It is suitable for use as a protective film having the effect of preventing unnecessary release of oxygen. In addition, oxygen contained in the aluminum oxide film can be diffused into the oxide semiconductor film.

また、絶縁膜475上には絶縁膜480が形成されていることが好ましい。当該絶縁膜には、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、当該絶縁膜は上記材料の積層であってもよい。 Further, it is preferable that the insulating film 480 is formed on the insulating film 475. The insulating film contains one or more of magnesium oxide, silicon oxide, silicon nitride nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide and tantalum oxide. An insulating film can be used. Further, the insulating film may be a laminate of the above materials.

ここで、絶縁膜480は絶縁膜420と同様に化学量論組成よりも多くの酸素を有することが好ましい。絶縁膜480から放出される酸素は絶縁膜460を経由して酸化物半導体膜430のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に形成された酸素欠損に酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。 Here, it is preferable that the insulating film 480 has more oxygen than the stoichiometric composition like the insulating film 420. Since the oxygen released from the insulating film 480 can be diffused into the channel forming region of the oxide semiconductor film 430 via the insulating film 460, oxygen can be supplemented to the oxygen deficiency formed in the channel forming region. .. Therefore, stable electric characteristics of the transistor can be obtained.

半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、特にチャネル幅が縮小するとオン電流が低下する。 Miniaturization of transistors is indispensable for highly integrated semiconductor devices. On the other hand, it is known that the electrical characteristics of a transistor deteriorate due to the miniaturization of the transistor, and the on-current decreases particularly when the channel width is reduced.

本発明の一態様のトランジスタ407乃至トランジスタ412では、チャネルが形成される酸化物半導体膜430bを覆うように酸化物半導体膜430cが形成されており、チャネル形成層とゲート絶縁膜が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成層とゲート絶縁膜との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。 In the transistors 407 to 412 of one aspect of the present invention, the oxide semiconductor film 430c is formed so as to cover the oxide semiconductor film 430b on which the channel is formed, and the channel forming layer and the gate insulating film are not in contact with each other. It has become. Therefore, it is possible to suppress the scattering of carriers generated at the interface between the channel forming layer and the gate insulating film, and it is possible to increase the on-current of the transistor.

また、本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように酸化物半導体膜430のチャネル幅方向を電気的に取り囲むようにゲート電極(導電膜470)が形成されているため、酸化物半導体膜430に対しては上面に垂直な方向からのゲート電界に加えて、側面に垂直な方向からのゲート電界が印加される。すなわち、チャネル形成層に対して全体的にゲート電界が印加されることになり実効チャネル幅が拡大するため、さらにオン電流を高められる。 Further, in the transistor of one aspect of the present invention, since the gate electrode (conductive film 470) is formed so as to electrically surround the channel width direction of the oxide semiconductor film 430 as described above, the oxide semiconductor film 430 In addition to the gate electric field from the direction perpendicular to the upper surface, the gate electric field is applied from the direction perpendicular to the side surface. That is, the gate electric field is applied to the channel cambium as a whole, and the effective channel width is expanded, so that the on-current can be further increased.

<成膜方法>
本実施の形態で説明した金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜は、代表的にはスパッタ法やプラズマCVD法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱CVD法により形成してもよい。熱CVD法の例としては、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atomic Layer Deposition)法などがある。
<Film formation method>
Various films such as the metal film, the semiconductor film, and the inorganic insulating film described in the present embodiment can be typically formed by a sputtering method or a plasma CVD method, but by another method, for example, a thermal CVD method. It may be formed. Examples of the thermal CVD method include a MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) method and an ALD (Atomic Layer Deposition) method.

熱CVD法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。 Since the thermal CVD method is a film forming method that does not use plasma, it has an advantage that defects are not generated due to plasma damage.

また、熱CVD法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。 Further, in the thermal CVD method, the raw material gas and the oxidizing agent are sent into the chamber at the same time, the inside of the chamber is set to atmospheric pressure or reduced pressure, and the reaction is carried out near or on the substrate to deposit on the substrate to form a film. May be good.

ALD法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスをチャンバーに導入・反応させ、これを繰り返すことで成膜を行う。原料ガスと一緒に不活性ガス(アルゴン、或いは窒素など)をキャリアガスとして導入してもよい。例えば2種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給してもよい。その際、複数種の原料ガスが混ざらないように第1の原料ガスの反応後、不活性ガスを導入し、第2の原料ガスを導入する。あるいは、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第1の原料ガスを排出した後、第2の原料ガスを導入してもよい。第1の原料ガスが基板の表面に吸着・反応して第1の層を成膜し、後から導入される第2の原料ガスが第1の層上に吸着・反応する。つまり、第2の層が第1の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入の繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なFETを作製する場合に適している。 In the ALD method, the inside of the chamber is set to atmospheric pressure or reduced pressure, the raw material gas for the reaction is introduced into the chamber and reacted, and this is repeated to form a film. An inert gas (argon, nitrogen, etc.) may be introduced as a carrier gas together with the raw material gas. For example, two or more kinds of raw material gases may be supplied to the chamber in order. At that time, after the reaction of the first raw material gas, the inert gas is introduced and the second raw material gas is introduced so that the plurality of kinds of raw material gases are not mixed. Alternatively, instead of introducing the inert gas, the first raw material gas may be discharged by vacuum exhaust, and then the second raw material gas may be introduced. The first raw material gas is adsorbed and reacted on the surface of the substrate to form a first layer, and the second raw material gas introduced later is adsorbed and reacted on the first layer. That is, the second layer is laminated on the first layer to form a thin film. By repeating this process a plurality of times until a desired thickness is obtained while controlling the gas introduction order, a thin film having excellent step covering property can be formed. Since the thickness of the thin film can be adjusted by the number of times the gas is introduced repeatedly, the film thickness can be precisely adjusted, which is suitable for manufacturing a fine FET.

MOCVD法やALD法などの熱CVD法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、In−Ga−Zn−O層を成膜する場合には、トリメチルインジウム(In(CH)、トリメチルガリウム(Ga(CH)、およびジメチル亜鉛(Zn(CH)を用いることができる。これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(Ga(C)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(Zn(C)を用いることもできる。 Thermal CVD methods such as the MOCVD method and the ALD method can form various films such as the metal film, the semiconductor film, and the inorganic insulating film disclosed in the embodiments described so far, and for example, In-Ga-Zn. When forming the −O layer, trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ), trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ), and dimethylzinc (Zn (CH 3 ) 2 ) can be used. Not limited to these combinations, triethylgallium (Ga (C 2 H 5 ) 3 ) can be used instead of trimethylgallium, and diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ) can be used instead of dimethylzinc. You can also do it.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体を含む液体(ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH、Hf[N(CH)やテトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどのハフニウムアミド)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O)の2種類のガスを用いる。 For example, when a hafnium oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor (hafnium alkoxide or tetrakisdimethylamide hafnium (TDHA, Hf [N (CH 3 ) 2 ] 2 ] 4 ) and and tetrakis (ethylmethylamido) material gases hafnium amide) is vaporized, such as hafnium, using two types of gas ozone (O 3) as an oxidizing agent.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体を含む液体(トリメチルアルミニウム(TMA、Al(CH)など)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてHOの2種類のガスを用いる。他の材料としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)などがある。 For example, when an aluminum oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, a liquid containing a solvent and an aluminum precursor (trimethylaluminum (TMA, Al (CH 3 ) 3 ), etc.) is vaporized with a raw material gas. , using two types of gases H 2 O as the oxidizing agent. Other materials include tris (dimethylamide) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanetone) and the like.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス(O、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。 For example, when a silicon oxide film is formed by a film forming apparatus using ALD, hexachlorodisilane is adsorbed on the surface to be formed, and radicals of an oxidizing gas (O 2 , dinitrogen monoxide) are supplied and adsorbed. React with things.

例えば、ALDを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、WFガスとBガスを順次導入して初期タングステン膜を形成し、その後、WFガスとHガスを順次導入してタングステン膜を形成する。なお、Bガスに代えてSiHガスを用いてもよい。 For example, when a tungsten film is formed by a film forming apparatus using ALD, WF 6 gas and B 2 H 6 gas are sequentially introduced to form an initial tungsten film, and then WF 6 gas and H 2 gas are formed. Are sequentially introduced to form a tungsten film. In addition, SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.

例えば、ALDを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばIn−Ga−Zn−O層を成膜する場合には、In(CHガスとOガスを順次導入してIn−O層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスを順次導入してGaO層を形成し、更にその後Zn(CHガスとOガスを順次導入してZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。これらのガスを用いてIn−Ga−O層やIn−Zn−O層、Ga−Zn−O層などの混合化合物層を形成してもよい。なお、Oガスに変えてArなどの不活性ガスでバブリングして得られたHOガスを用いてもよいが、Hを含まないOガスを用いる方が好ましい。 For example, when an oxide semiconductor film, for example, an In-Ga-Zn-O layer is formed by a film forming apparatus using ALD, In (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially introduced to form In-. An O layer is formed, and then Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are sequentially introduced to form a GaO layer, and then Zn (CH 3 ) 2 gas and O 3 gas are sequentially introduced to form a ZnO layer. To form. The order of these layers is not limited to this example. These gases may be used to form a mixed compound layer such as an In—Ga—O layer, an In—Zn—O layer, and a Ga—Zn—O layer. Incidentally, instead of the O 3 gas may be used of H 2 O gas obtained by bubbling with an inert gas such as Ar, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred.

酸化物半導体膜の成膜には、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることもできる。当該対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(vapor deposition SP)と呼ぶこともできる。 A counter-target sputtering apparatus can also be used for forming the oxide semiconductor film. The film forming method using the opposed target sputtering apparatus can also be called VDSP (vapor deposition SP).

対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて酸化物半導体膜を成膜することによって、酸化物半導体膜の成膜時におけるプラズマ損傷を低減することができる。そのため、膜中の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることで低圧での成膜が可能となるため、成膜された酸化物半導体膜中の不純物濃度(例えば水素、希ガス(アルゴンなど)、水など)を低減させることができる。 By forming the oxide semiconductor film using the opposed target sputtering apparatus, it is possible to reduce the plasma damage during the film formation of the oxide semiconductor film. Therefore, oxygen deficiency in the membrane can be reduced. In addition, since film formation at low pressure is possible by using an opposed target sputtering device, the concentration of impurities (for example, hydrogen, rare gas (argon, etc.), water, etc.) in the filmed oxide semiconductor film is reduced. Can be made to.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The configuration shown in this embodiment can be used in combination with the configuration shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態6)
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体の材料について説明する。
(Embodiment 6)
In the present embodiment, an oxide semiconductor material that can be used in one aspect of the present invention will be described.

酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 The oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium, tin and the like are preferably contained. Further, one or more kinds selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like may be contained.

ここで、酸化物半導体が、インジウム、元素M及び亜鉛を有する場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Here, consider the case where the oxide semiconductor has indium, the element M, and zinc. The element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, or the like. Examples of elements applicable to the other element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium. However, as the element M, a plurality of the above-mentioned elements may be combined in some cases.

まず、図27(A)、図27(B)、および図27(C)を用いて、本発明に係る酸化物半導体が有するインジウム、元素M及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図27には、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体が有するインジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 First, a preferable range of atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the oxide semiconductor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 27 (A), 27 (B), and 27 (C). Note that FIG. 27 does not show the atomic number ratio of oxygen. Further, the respective terms of the atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the oxide semiconductor are [In], [M], and [Zn].

図27(A)、図27(B)、および図27(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1の原子数比(−1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5の原子数比となるラインを表す。 In FIGS. 27 (A), 27 (B), and 27 (C), the broken line indicates the atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 1. Line where (-1 ≤ α ≤ 1), [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): Line where the atomic number ratio is 2, [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): A line having an atomic number ratio of 3, [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): 4 atomic numbers It represents a line having a ratio and a line having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = (1 + α) :( 1-α): 5.

また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、及び[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比となるラインを表す。 The one-point chain line is a line having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: β (β ≧ 0), [In]: [M]: [Zn] = 1: 2: Atomic number ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 3: Atomic number ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 1: 4: Atomic number ratio of β, [In]: [M]: [Zn] = 2: 1: β atomic number ratio, and [In]: [M]: [Zn] = 5 Represents a line with an atomic number ratio of 1: β.

図27(A)および図27(B)では、本発明の一態様の酸化物半導体が有する、インジウム、元素M、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。 27 (A) and 27 (B) show an example of a preferable range of atomic number ratios of indium, element M, and zinc contained in the oxide semiconductor of one aspect of the present invention.

一例として、図28に、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1である、InMZnOの結晶構造を示す。また、図28は、b軸に平行な方向から観察した場合のInMZnOの結晶構造である。なお、図28に示すM、Zn、酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)における金属元素は、元素Mまたは亜鉛を表している。この場合、元素Mと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Mと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。 As an example, FIG. 28 shows the crystal structure of InMZnO 4 in which [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 1. Further, FIG. 28 shows the crystal structure of InMZnO 4 when observed from a direction parallel to the b-axis. The metal element in the layer having M, Zn, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) shown in FIG. 28 represents the element M or zinc. In this case, it is assumed that the ratios of the element M and zinc are equal. The elements M and zinc can be substituted and the arrangement is irregular.

InMZnOは、層状の結晶構造(層状構造ともいう)をとり、図28に示すように、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)が1に対し、元素M、亜鉛、および酸素を有する(M,Zn)層が2となる。 InMZnO 4 has a layered crystal structure (also referred to as a layered structure), and as shown in FIG. 28, the layer having indium and oxygen (hereinafter referred to as the In layer) has 1 and the elements M, zinc, and oxygen. The number of (M, Zn) layers is 2.

また、インジウムと元素Mは、互いに置換可能である。そのため、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換し、(In,M,Zn)層と表すこともできる。その場合、In層が1に対し、(In,M,Zn)層が2である層状構造をとる。 Further, indium and element M can be replaced with each other. Therefore, the element M of the (M, Zn) layer can be replaced with indium and expressed as the (In, M, Zn) layer. In that case, it has a layered structure in which the In layer is 1 and the (In, M, Zn) layer is 2.

[In]:[M]:[Zn]=1:1:2となる原子数比の酸化物半導体は、In層が1に対し、(M,Zn)層が3である層状構造をとる。つまり、[In]および[M]に対し[Zn]が大きくなると、酸化物半導体が結晶化した場合、In層に対する(M,Zn)層の割合が増加する。 An oxide semiconductor having an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 2 has a layered structure in which the In layer is 1 and the (M, Zn) layer is 3. That is, when [Zn] is larger than [In] and [M], the ratio of the (M, Zn) layer to the In layer increases when the oxide semiconductor is crystallized.

ただし、酸化物半導体中において、In層が1層に対し、(M,Zn)層の層数が非整数である場合、In層が1層に対し、(M,Zn)層の層数が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、[In]:[M]:[Zn]=1:1:1.5である場合、In層が1に対し、(M,Zn)層が2である層状構造と、(M,Zn)層が3である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。 However, in the oxide semiconductor, when the number of layers of the (M, Zn) layer is non-integer with respect to one layer of the In layer, the number of layers of the (M, Zn) layer is larger than that of one layer of the In layer. It may have multiple types of layered structures that are integers. For example, when [In]: [M]: [Zn] = 1: 1: 1.5, a layered structure in which the In layer is 1 and the (M, Zn) layer is 2, and (M, Zn) ) The layered structure may be a mixture of the layered structure having 3 layers.

例えば、酸化物半導体をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。 For example, when an oxide semiconductor is formed into a film by a sputtering apparatus, a film having an atomic number ratio deviating from the target atomic number ratio is formed. In particular, depending on the substrate temperature at the time of film formation, the film [Zn] may be smaller than the target [Zn].

また、酸化物半導体中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存など)。例えば、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比の近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、[In]:[M]:[Zn]=1:0:0を示す原子数比の近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物半導体中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界(グレインバウンダリーともいう)が形成される場合がある。 In addition, a plurality of phases may coexist in the oxide semiconductor (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, at an atomic number ratio that is close to the atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 0: 2: 1, two phases of a spinel-type crystal structure and a layered crystal structure coexist. Cheap. Further, in the atomic number ratio, which is a value close to the atomic number ratio indicating [In]: [M]: [Zn] = 1: 0: 0, the two phases of the big bite type crystal structure and the layered crystal structure are present. Easy to coexist. When a plurality of phases coexist in an oxide semiconductor, grain boundaries (also referred to as grain boundaries) may be formed between different crystal structures.

また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物半導体のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。これは、インジウム、元素M及び亜鉛を有する酸化物半導体では、主として重金属のs軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、s軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物半導体はインジウムの含有率が低い酸化物半導体と比較してキャリア移動度が高くなるためである。 Further, by increasing the indium content, the carrier mobility (electron mobility) of the oxide semiconductor can be increased. This is because in oxide semiconductors containing indium, element M, and zinc, the s orbitals of heavy metals mainly contribute to carrier conduction, and by increasing the content of indium, the region where the s orbitals overlap becomes larger. This is because an oxide semiconductor having a high indium content has a higher carrier mobility than an oxide semiconductor having a low indium content.

一方、酸化物半導体中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0を示す原子数比、およびその近傍値である原子数比(例えば図27(C)に示す領域C)では、絶縁性が高くなる。 On the other hand, when the content of indium and zinc in the oxide semiconductor is low, the carrier mobility is low. Therefore, in the atomic number ratio showing [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 and the atomic number ratio which is a value close to the ratio (for example, region C shown in FIG. 27C), the insulating property Will be higher.

従って、本発明の一態様の酸化物半導体は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図27(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。 Therefore, it is preferable that the oxide semiconductor of one aspect of the present invention has the atomic number ratio shown in the region A of FIG. 27 (A), which tends to have a layered structure having high carrier mobility and few grain boundaries.

また、図27(B)に示す領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。領域Bで示される原子数比を有する酸化物半導体は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体である。 Further, the region B shown in FIG. 27 (B) shows [In]: [M]: [Zn] = 4: 2: 3 to 4.1, and values in the vicinity thereof. The neighborhood value includes, for example, an atomic number ratio of [In]: [M]: [Zn] = 5: 3: 4. The oxide semiconductor having the atomic number ratio shown in the region B is an excellent oxide semiconductor having high crystallinity and high carrier mobility.

なお、酸化物半導体が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物半導体が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。 The conditions under which the oxide semiconductor forms a layered structure are not uniquely determined by the atomic number ratio. Depending on the atomic number ratio, there are differences in the difficulty of forming a layered structure. On the other hand, even if the atomic number ratio is the same, it may or may not have a layered structure depending on the formation conditions. Therefore, the region shown in the figure is a region showing the atomic number ratio of the oxide semiconductor having a layered structure, and the boundary between the regions A and C is not strict.

続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。 Subsequently, a case where the oxide semiconductor is used for a transistor will be described.

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 By using the oxide semiconductor for the transistor, carrier scattering and the like at the grain boundaries can be reduced, so that a transistor having high field effect mobility can be realized. Moreover, a highly reliable transistor can be realized.

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が8×1011/cm未満、好ましくは1×1011/cm未満、さらに好ましくは1×1010/cm未満であり、1×10−9/cm以上とすればよい。 Further, it is preferable to use an oxide semiconductor having a low carrier density for the transistor. For example, oxide semiconductors have a carrier density of less than 8 × 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 × 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and 1 × 10 -9 /. It may be cm 3 or more.

なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, since the oxide semiconductor having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has few carrier sources, the carrier density can be lowered. Further, since the oxide semiconductor having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has a low defect level density, the trap level density may also be low.

また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge captured at the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor having a high trap level density may have unstable electrical characteristics.

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor. Further, in order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor, it is preferable to reduce the impurity concentration in the adjacent film. Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.

ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。 Here, the influence of each impurity in the oxide semiconductor will be described.

酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1017atoms/cm以下とする。 When silicon or carbon, which is one of the Group 14 elements, is contained in the oxide semiconductor, a defect level is formed in the oxide semiconductor. Therefore, the concentration of silicon and carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon and carbon near the interface with the oxide semiconductor (concentration obtained by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)) are set to 2. × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm以下、好ましくは2×1016atoms/cm以下にする。 Further, when the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal, a defect level may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor. Specifically, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, in an oxide semiconductor, when nitrogen is contained, electrons as carriers are generated, the carrier density increases, and the n-type is easily formed. As a result, a transistor using an oxide semiconductor containing nitrogen as a semiconductor tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that nitrogen is reduced as much as possible in the oxide semiconductor, for example, the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 in SIMS, preferably 5 × 10 18 Atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm未満、好ましくは1×1019atoms/cm未満、より好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm未満とする。 Further, hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency. When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated. In addition, a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor is reduced as much as possible. Specifically, in oxide semiconductors, the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 By using an oxide semiconductor in which impurities are sufficiently reduced in the channel formation region of the transistor, stable electrical characteristics can be imparted.

続いて、該酸化物半導体を2層構造、または3層構造とした場合について述べる。酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、および酸化物半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、酸化物半導体S2および酸化物半導体S3の積層構造に接する絶縁体のバンド図と、について、図29を用いて説明する。 Subsequently, a case where the oxide semiconductor has a two-layer structure or a three-layer structure will be described. Regarding the band diagram of the insulator in contact with the laminated structure of the oxide semiconductor S1, the oxide semiconductor S2, and the oxide semiconductor S3, and the band diagram of the insulator in contact with the laminated structure of the oxide semiconductor S2 and the oxide semiconductor S3. This will be described with reference to FIG. 29.

図29(A)は、絶縁体I1、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図29(B)は、絶縁体I1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3、及び絶縁体I2を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体I1、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3、及び絶縁体I2の伝導帯下端のエネルギー準位(Ec)を示す。 FIG. 29A is an example of a band diagram in the film thickness direction of a laminated structure having an insulator I1, an oxide semiconductor S1, an oxide semiconductor S2, an oxide semiconductor S3, and an insulator I2. Further, FIG. 29B is an example of a band diagram in the film thickness direction of the laminated structure having the insulator I1, the oxide semiconductor S2, the oxide semiconductor S3, and the insulator I2. The band diagram shows the energy levels (Ec) of the lower end of the conduction band of the insulator I1, the oxide semiconductor S1, the oxide semiconductor S2, the oxide semiconductor S3, and the insulator I2 for easy understanding.

酸化物半導体S1、酸化物半導体S3は、酸化物半導体S2よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体S2の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。すなわち、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の電子親和力よりも、酸化物半導体S2の電子親和力が大きく、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3の電子親和力と、酸化物半導体S2の電子親和力との差は、0.15eV以上、または0.5eV以上、かつ2eV以下、または1eV以下であることが好ましい。 The oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3 have an energy level at the lower end of the conduction band closer to the vacuum level than the oxide semiconductor S2, and typically, the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor S2 and the energy level. The difference from the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3 is preferably 0.15 eV or more, 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less. That is, the electron affinity of the oxide semiconductor S2 is larger than the electron affinity of the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3, and the electron affinity of the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3 and the electron affinity of the oxide semiconductor S2 The difference is preferably 0.15 eV or more, 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less.

図29(A)、および図29(B)に示すように、酸化物半導体S1、酸化物半導体S2、酸化物半導体S3において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようなバンド図を有するためには、酸化物半導体S1と酸化物半導体S2との界面、または酸化物半導体S2と酸化物半導体S3との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 As shown in FIGS. 29 (A) and 29 (B), in the oxide semiconductor S1, the oxide semiconductor S2, and the oxide semiconductor S3, the energy level at the lower end of the conduction band changes gently. In other words, it can also be said to be continuously changing or continuously joining. In order to have such a band diagram, the defect level density of the mixed layer formed at the interface between the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S2 or the interface between the oxide semiconductor S2 and the oxide semiconductor S3 is lowered. It is good to do.

具体的には、酸化物半導体S1と酸化物半導体S2、酸化物半導体S2と酸化物半導体S3が、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物半導体S2がIn−Ga−Zn酸化物半導体の場合、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3として、In−Ga−Zn酸化物半導体、Ga−Zn酸化物半導体、酸化ガリウムなどを用いるとよい。 Specifically, the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S2, and the oxide semiconductor S2 and the oxide semiconductor S3 have a common element (main component) other than oxygen, so that the defect level density is low. Layers can be formed. For example, when the oxide semiconductor S2 is an In-Ga-Zn oxide semiconductor, In-Ga-Zn oxide semiconductor, Ga-Zn oxide semiconductor, gallium oxide or the like is used as the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3. It is good.

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物半導体S2となる。酸化物半導体S1と酸化物半導体S2との界面、および酸化物半導体S2と酸化物半導体S3との界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。 At this time, the main path of the carrier is the oxide semiconductor S2. Since the defect level density at the interface between the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S2 and the interface between the oxide semiconductor S2 and the oxide semiconductor S3 can be lowered, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is small. High on-current can be obtained.

トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物半導体S1、酸化物半導体S3を設けることにより、トラップ準位を酸化物半導体S2より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。 When electrons are trapped at the trap level, the trapped electrons behave like a fixed charge, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. By providing the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3, the trap level can be kept away from the oxide semiconductor S2. With this configuration, it is possible to prevent the threshold voltage of the transistor from shifting in the positive direction.

酸化物半導体S1、酸化物半導体S3は、酸化物半導体S2と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物半導体S2、酸化物半導体S2と酸化物半導体S1との界面、および酸化物半導体S2と酸化物半導体S3との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物半導体S1、酸化物半導体S3には、図27(C)において、絶縁性が高くなる領域Cで示す原子数比の酸化物半導体を用いればよい。なお、図27(C)に示す領域Cは、[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、またはその近傍値である原子数比を示している。 The oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3 use materials having a sufficiently low conductivity as compared with the oxide semiconductor S2. At this time, the oxide semiconductor S2, the interface between the oxide semiconductor S2 and the oxide semiconductor S1, and the interface between the oxide semiconductor S2 and the oxide semiconductor S3 mainly function as a channel region. For example, for the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3, the oxide semiconductor having the atomic number ratio shown in the region C where the insulating property is high may be used in FIG. 27 (C). The region C shown in FIG. 27 (C) shows the atomic number ratio which is [In]: [M]: [Zn] = 0: 1: 0 or a value in the vicinity thereof.

特に、酸化物半導体S2に領域Aで示される原子数比の酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体S1および酸化物半導体S3には、[M]/[In]が1以上、好ましくは2以上である酸化物半導体を用いることが好ましい。また、酸化物半導体S3として、十分に高い絶縁性を得ることができる[M]/([Zn]+[In])が1以上である酸化物半導体を用いることが好適である。 In particular, when an oxide semiconductor having an atomic number ratio shown in region A is used for the oxide semiconductor S2, the oxide semiconductor S1 and the oxide semiconductor S3 have [M] / [In] of 1 or more, preferably 2 or more. It is preferable to use an oxide semiconductor. Further, as the oxide semiconductor S3, it is preferable to use an oxide semiconductor having [M] / ([Zn] + [In]) of 1 or more, which can obtain sufficiently high insulating properties.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The configuration shown in this embodiment can be used in combination with the configuration shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の一態様に用いることのできる酸化物半導体の材料について説明する。
(Embodiment 7)
In the present embodiment, an oxide semiconductor material that can be used in one aspect of the present invention will be described.

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。 In the present specification, "parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° or more and 10 ° or less. Therefore, the case of −5 ° or more and 5 ° or less is also included. Further, "substantially parallel" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of −30 ° or more and 30 ° or less. Further, "vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 ° or more and 95 ° or less is also included. Further, "substantially vertical" means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° or more and 120 ° or less.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 Further, in the present specification, when the crystal is a trigonal crystal or a rhombohedral crystal, it is represented as a hexagonal system.

酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。 Oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors. Examples of the non-single crystal oxide semiconductor include CAAC-OS (c-axis-aligned crystal linear semiconductor), polycrystalline oxide semiconductor, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductor), and pseudoamorphic oxide semiconductor (a-like). : Amorphos-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductors.

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−OS、多結晶酸化物半導体およびnc−OSなどがある。 From another viewpoint, oxide semiconductors are divided into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors. Examples of the crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and nc-OS.

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。 Amorphous structures are generally isotropic and have no heterogeneous structure, are in a metastable state with unfixed atomic arrangements, have flexible bond angles, have short-range order but long-range order. It is said that it does not have.

即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期構造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a−like OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。 That is, a stable oxide semiconductor cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor. Further, an oxide semiconductor that is not isotropic (for example, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a completely amorphous oxide semiconductor. On the other hand, a-like OS is not isotropic, but has an unstable structure having voids (also referred to as voids). In terms of instability, the a-like OS is physically close to an amorphous oxide semiconductor.

<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。
<CAAC-OS>
First, CAAC-OS will be described.

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半導体の一種である。 CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis oriented crystal portions (also referred to as pellets).

CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、図30(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−OSは、該ピークを示さないことが好ましい。 A case where CAAC-OS is analyzed by X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) will be described. For example, when a structural analysis is performed on a CAAC-OS having crystals of InGaZnO 4 classified in the space group R-3m by the out-of-plane method, the diffraction angle (2θ) is as shown in FIG. 30 (A). A peak appears near 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, in CAAC-OS, the crystal has c-axis orientation and the c-axis forms the CAAC-OS film (formed). It can be confirmed that the surface is oriented substantially perpendicular to the surface) or the upper surface. In addition to the peak where 2θ is in the vicinity of 31 °, a peak may appear in the vicinity where 2θ is in the vicinity of 36 °. The peak in which 2θ is in the vicinity of 36 ° is due to the crystal structure classified into the space group Fd-3m. Therefore, it is preferable that CAAC-OS does not show the peak.

一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−plane法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行っても、図30(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZnOに対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図30(C)に示すように(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRDを用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが確認できる。 On the other hand, when structural analysis is performed by the in-plane method in which X-rays are incident on CAAC-OS from a direction parallel to the surface to be formed, a peak appears in the vicinity of 2θ at 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. Then, even if 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), it is clear as shown in FIG. 30 (B). No peak appears. On the other hand, when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and φ-scanned with respect to the single crystal InGaZnO 4 , six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed as shown in FIG. 30 (C). Will be done. Therefore, from the structural analysis using XRD, it can be confirmed that the orientation of the a-axis and the b-axis of CAAC-OS is irregular.

次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプローブ径が300nmの電子線を入射させると、図30(D)に示すような回折パターン(制限視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InGaZnOの結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図30(E)に示す。図30(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットのa軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図30(E)における第1リングは、InGaZnOの結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えられる。また、図30(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる。 Next, the CAAC-OS analyzed by electron diffraction will be described. For example, when an electron beam having a probe diameter of 300 nm is incident on a CAAC-OS having a crystal of InGaZnO 4 in parallel with the surface to be formed of the CAAC-OS, a diffraction pattern (selected area) as shown in FIG. An electron diffraction pattern) may appear. This diffraction pattern includes spots due to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal. Therefore, it can be seen from the electron diffraction that the pellets contained in CAAC-OS have c-axis orientation and the c-axis is oriented substantially perpendicular to the surface to be formed or the upper surface. On the other hand, FIG. 30 (E) shows a diffraction pattern when an electron beam having a probe diameter of 300 nm is incident on the same sample perpendicularly to the sample surface. From FIG. 30 (E), a ring-shaped diffraction pattern is confirmed. Therefore, it can be seen that the a-axis and b-axis of the pellets contained in CAAC-OS do not have orientation even by electron diffraction using an electron beam having a probe diameter of 300 nm. It is considered that the first ring in FIG. 30 (E) is caused by the (010) plane and the (100) plane of the crystal of InGaZnO 4 . Further, it is considered that the second ring in FIG. 30 (E) is caused by the surface (110) and the like.

また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 In addition, when observing a composite analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a bright-field image of CAAC-OS and a diffraction pattern with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope), a plurality of pellets can be confirmed. Can be done. On the other hand, even in a high-resolution TEM image, the boundary between pellets, that is, the grain boundary (also referred to as grain boundary) may not be clearly confirmed. Therefore, it can be said that CAAC-OS is unlikely to cause a decrease in electron mobility due to grain boundaries.

図31(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TEM像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Aberration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡JEM−ARM200Fなどによって観察することができる。 FIG. 31 (A) shows a high-resolution TEM image of a cross section of CAAC-OS observed from a direction substantially parallel to the sample surface. The spherical aberration correction (Spherical Aberration Corrector) function was used for observing the high-resolution TEM image. A high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly called a Cs-corrected high-resolution TEM image. The Cs-corrected high-resolution TEM image can be observed, for example, with an atomic resolution analysis electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.

図31(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することができる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶこともできる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−OSの被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面と平行となる。 From FIG. 31 (A), pellets, which are regions in which metal atoms are arranged in layers, can be confirmed. It can be seen that the size of one pellet is 1 nm or more and 3 nm or more. Therefore, pellets can also be referred to as nanocrystals (nc: nanocrystals). Further, CAAC-OS can also be referred to as an oxide semiconductor having CANC (C-Axis Aligned nanocrystals). The pellets reflect the irregularities on the surface or top surface of the CAAC-OS to be formed and are parallel to the surface or top surface of the CAAC-OS to be formed.

また、図31(B)および図31(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−OSの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図31(D)および図31(E)は、それぞれ図31(B)および図31(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法について説明する。まず、図31(B)を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像において原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理する。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示している。 Further, FIGS. 31 (B) and 31 (C) show Cs-corrected high-resolution TEM images of the plane of CAAC-OS observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface. 31 (D) and 31 (E) are images obtained by image-processing FIGS. 31 (B) and 31 (C), respectively. The image processing method will be described below. First, an FFT image is acquired by performing a fast Fourier transform (FFT) process on FIG. 31 (B). Then, relative to the origin in the FFT image acquired, for masking leaves a range between 5.0 nm -1 from 2.8 nm -1. Next, the masked FFT image is subjected to an inverse fast Fourier transform (IFFT) process to obtain an image-processed image. The image obtained in this way is called an FFT filtering image. The FFT filtering image is an image obtained by extracting a periodic component from a Cs-corrected high-resolution TEM image, and shows a grid array.

図31(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。 In FIG. 31 (D), the disordered portion of the lattice arrangement is shown by a broken line. The area surrounded by the broken line is one pellet. The part indicated by the broken line is the connecting portion between the pellets. Since the broken line has a hexagonal shape, it can be seen that the pellet has a hexagonal shape. The shape of the pellet is not limited to a regular hexagonal shape, and is often a non-regular hexagonal shape.

図31(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線で示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または/および七角形などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。 In FIG. 31 (E), a dotted line is shown between the region where the grid arrangement is aligned and the region where another grid arrangement is aligned. A clear grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of the dotted line. By connecting the surrounding grid points around the grid points near the dotted line, a distorted hexagon, pentagon and / or heptagon can be formed. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by distorting the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the atomic arrangement is not dense in the ab plane direction and that the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. Conceivable.

以上に示すように、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CAAC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−plane−anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することもできる。 As shown above, CAAC-OS has a c-axis orientation and has a distorted crystal structure in which a plurality of pellets (nanocrystals) are connected in the ab plane direction. Therefore, CAAC-OS can also be referred to as an oxide semiconductor having a CAA crystal (c-axis-aligned a-b-plane-anchored crystal).

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。 CAAC-OS is a highly crystalline oxide semiconductor. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may decrease due to the mixing of impurities or the formation of defects, CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor having few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.).

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。 Impurities are elements other than the main components of oxide semiconductors, such as hydrogen, carbon, silicon, and transition metal elements. For example, an element such as silicon, which has a stronger bond with oxygen than the metal element constituting the oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen and lowers the crystallinity. It becomes a factor. Further, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have a large atomic radius (or molecular radius), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and causes a decrease in crystallinity.

<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。
<Nc-OS>
Next, the nc-OS will be described.

nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。 The case where the nc-OS is analyzed by XRD will be described. For example, when structural analysis is performed on nc-OS by the out-of-plane method, a peak indicating orientation does not appear. That is, the crystals of nc-OS have no orientation.

また、例えば、InGaZnOの結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nmの領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図32(A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)を図32(B)に示す。図32(B)より、リング状の領域内に複数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させることでは秩序性が確認される。 Further, for example, when nc-OS having a crystal of InGaZnO 4 is sliced and an electron beam having a probe diameter of 50 nm is incident on a region having a thickness of 34 nm in parallel with the surface to be formed, FIG. 32 (A) shows. A ring-shaped diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) as shown is observed. Further, FIG. 32 (B) shows a diffraction pattern (nanobeam electron diffraction pattern) when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on the same sample. From FIG. 32 (B), a plurality of spots are observed in the ring-shaped region. Therefore, the order of the nc-OS is not confirmed by injecting an electron beam having a probe diameter of 50 nm, but the order is confirmed by injecting an electron beam having a probe diameter of 1 nm.

また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、図32(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測される場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。 Further, when an electron beam having a probe diameter of 1 nm is incident on a region having a thickness of less than 10 nm, an electron diffraction pattern in which spots are arranged in a substantially regular hexagonal shape is observed as shown in FIG. 32 (C). May occur. Therefore, it can be seen that the nc-OS has a highly ordered region, that is, a crystal in a thickness range of less than 10 nm. Since the crystals are oriented in various directions, there are some regions where a regular electron diffraction pattern is not observed.

図32(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などのように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであり、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(micro crystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがある。nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。 FIG. 32 (D) shows a Cs-corrected high-resolution TEM image of the cross section of the nc-OS observed from a direction substantially parallel to the surface to be formed. The nc-OS has a region in which a crystal portion can be confirmed, such as a portion indicated by an auxiliary line, and a region in which a clear crystal portion cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. The crystal portion contained in nc-OS has a size of 1 nm or more and 10 nm or less, and in particular, it often has a size of 1 nm or more and 3 nm or less. An oxide semiconductor having a crystal portion larger than 10 nm and 100 nm or less may be referred to as a microcrystal oxide semiconductor (micro crystal oxide semiconductor). In the nc-OS, for example, the crystal grain boundary may not be clearly confirmed in a high-resolution TEM image. It should be noted that nanocrystals may have the same origin as pellets in CAAC-OS. Therefore, in the following, the crystal part of nc-OS may be referred to as a pellet.

このように、nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc−OSは、分析方法によっては、a−like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 As described above, the nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less). In addition, nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, the nc-OS may be indistinguishable from the a-like OS and the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.

なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。 Since the crystal orientation is not regular among pellets (nanocrystals), nc-OS is an oxide semiconductor having RANC (Random Aligned nanocrystals) or an oxide having NANC (Non-Aligned nanocrystals). It can also be called a semiconductor.

nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。 nc-OS is an oxide semiconductor having higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. Therefore, the defect level density of nc-OS is lower than that of a-like OS and amorphous oxide semiconductors. However, nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, nc-OS has a higher defect level density than CAAC-OS.

<a−like OS>
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。
<A-like OS>
The a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.

図33に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図33(A)は電子照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図33(B)は4.3×10/nmの電子(e)照射後におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図33(A)および図33(B)より、a−like OSは電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推測される。 FIG. 33 shows a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS. Here, FIG. 33 (A) is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS at the start of electron irradiation. FIG. 33 (B) is a high-resolution cross-sectional TEM image of the a-like OS after irradiation with electrons (e ) of 4.3 × 10 8 e / nm 2 . From FIGS. 33 (A) and 33 (B), it can be seen that in the a-like OS, a striped bright region extending in the vertical direction is observed from the start of electron irradiation. It can also be seen that the shape of the bright region changes after electron irradiation. The bright region is presumed to be a void or a low density region.

鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。 Due to its porosity, the a-like OS has an unstable structure. In the following, in order to show that the a-like OS has an unstable structure as compared with CAAC-OS and nc-OS, the structural change due to electron irradiation is shown.

試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれの試料もIn−Ga−Zn酸化物である。 As samples, a-like OS, nc-OS and CAAC-OS are prepared. Both samples are In-Ga-Zn oxides.

まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料は、いずれも結晶部を有する。 First, a high-resolution cross-sectional TEM image of each sample is acquired. According to the high-resolution cross-sectional TEM image, each sample has a crystal part.

なお、InGaZnOの結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZnOの結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnOの結晶のa−b面に対応する。 The unit cell of the crystal of InGaZnO 4 has a structure in which a total of 9 layers are stacked in a layered manner in the c-axis direction, which has 3 In-O layers and 6 Ga-Zn-O layers. Are known. The distance between these adjacent layers is about the same as the grid plane distance (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from the crystal structure analysis. Therefore, in the following, the portion where the interval between the lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less is regarded as the crystal portion of InGaZnO 4 . The plaids correspond to the ab planes of the InGaZnO 4 crystal.

図34は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図34より、a−like OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。図34より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさだった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e)の累積照射量が4.2×10/nmにおいては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×10/nmまでの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図34より、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射およびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×10/(nm・s)、照射領域の直径を230nmとした。 FIG. 34 is an example of investigating the average size of the crystal portions (22 to 30 locations) of each sample. The length of the above-mentioned plaid is defined as the size of the crystal portion. From FIG. 34, it can be seen that in the a-like OS, the crystal portion becomes larger according to the cumulative irradiation amount of electrons related to the acquisition of the TEM image and the like. From FIG. 34, in the initially observed by TEM (also referred to as initial nuclei.) Crystal portion was a size of about 1.2nm and electrons (e -) cumulative dose is 4.2 × 10 8 e of the - / nm It can be seen that in No. 2 , it has grown to a size of about 1.9 nm. On the other hand, in nc-OS and CAAC-OS, there is no change in the size of the crystal part in the range where the cumulative electron irradiation amount is 4.2 × 10 8 e / nm 2 from the start of electron irradiation. I understand. From FIG. 34, it can be seen that the sizes of the crystal portions of nc-OS and CAAC-OS are about 1.3 nm and about 1.8 nm, respectively, regardless of the cumulative irradiation amount of electrons. A Hitachi transmission electron microscope H-9000 NAR was used for electron beam irradiation and TEM observation. The electron beam irradiation conditions were an acceleration voltage of 300 kV, a current density of 6.7 × 10 5 e / (nm 2 · s), and a diameter of the irradiation region of 230 nm.

このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、不安定な構造であることがわかる。 As described above, in the a-like OS, growth of the crystal portion may be observed by electron irradiation. On the other hand, in nc-OS and CAAC-OS, almost no growth of the crystal portion due to electron irradiation is observed. That is, it can be seen that the a-like OS has an unstable structure as compared with the nc-OS and the CAAC-OS.

また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の78.6%以上92.3%未満である。また、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶の密度の92.3%以上100%未満である。単結晶の密度の78%未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。 Further, since it has a void, the a-like OS has a structure having a lower density than that of the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of a single crystal having the same composition. Further, the density of nc-OS and the density of CAAC-OS are 92.3% or more and less than 100% of the density of a single crystal having the same composition. It is difficult to form an oxide semiconductor having a density of less than 78% of a single crystal.

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶InGaZnOの密度は6.357g/cmである。よって、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、a−like OSの密度は5.0g/cm以上5.9g/cm未満である。また、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm以上6.3g/cm未満である。 For example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic number ratio], the density of the single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 . Therefore, for example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic number ratio], the density of a-like OS is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3. .. Further, for example, in an oxide semiconductor satisfying In: Ga: Zn = 1: 1: 1 [atomic number ratio], the density of nc-OS and the density of CAAC-OS are 5.9 g / cm 3 or more and 6.3 g /. It is less than cm 3 .

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。 When single crystals having the same composition do not exist, the density corresponding to the single crystal in the desired composition can be estimated by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. The density corresponding to a single crystal having a desired composition may be estimated by using a weighted average with respect to the ratio of combining single crystals having different compositions. However, the density is preferably estimated by combining as few types of single crystals as possible.

以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 As described above, oxide semiconductors have various structures, and each has various characteristics. The oxide semiconductor may be, for example, a laminated film having two or more of amorphous oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.

<酸化物半導体のキャリア密度>
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。
<Carrier density of oxide semiconductor>
Next, the carrier density of the oxide semiconductor will be described below.

酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損(V)、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。 Factors that affect the carrier density of the oxide semiconductor include oxygen deficiency ( VO ) in the oxide semiconductor, impurities in the oxide semiconductor, and the like.

酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合(この状態をVHともいう)した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。 When the oxygen vacancies in the oxide semiconductor is increased, when the hydrogen to the oxygen deficiency linked (this state is also referred to as V O H), the higher the density of defect states. Alternatively, when the amount of impurities in the oxide semiconductor increases, the defect level density increases due to the impurities. Therefore, the carrier density of the oxide semiconductor can be controlled by controlling the defect level density in the oxide semiconductor.

ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。 Here, consider a transistor that uses an oxide semiconductor in the channel region.

トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体のキャリア密度としては、8×1015cm−3未満、好ましくは1×1011cm−3未満、さらに好ましくは1×1010cm−3未満であり、1×10−9cm−3以上とすればよい。 When the purpose is to suppress the negative shift of the threshold voltage of the transistor or reduce the off-current of the transistor, it is preferable to lower the carrier density of the oxide semiconductor. When the carrier density of the oxide semiconductor is lowered, the impurity concentration in the oxide semiconductor may be lowered and the defect level density may be lowered. In the present specification and the like, a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic. The carrier density of the high-purity intrinsic oxide semiconductor is less than 8 × 10 15 cm -3 , preferably less than 1 × 10 11 cm -3 , more preferably less than 1 × 10 10 cm -3 , and 1 × 10 It may be -9 cm -3 or more.

一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのId−Vg特性のオン/オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子(キャリア)の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。 On the other hand, when the purpose is to improve the on-current of the transistor or the mobility of the electric field effect of the transistor, it is preferable to increase the carrier density of the oxide semiconductor. When the carrier density of the oxide semiconductor is increased, the impurity concentration of the oxide semiconductor may be slightly increased, or the defect level density of the oxide semiconductor may be slightly increased. Alternatively, the bandgap of the oxide semiconductor may be made smaller. For example, an oxide semiconductor having a slightly high impurity concentration or a slightly high defect level density can be regarded as substantially true in the range where the on / off ratio of the Id-Vg characteristic of the transistor can be obtained. Further, an oxide semiconductor having a large electron affinity and a correspondingly small bandgap, resulting in an increase in the density of thermally excited electrons (carriers), can be regarded as substantially genuine. When an oxide semiconductor having a higher electron affinity is used, the threshold voltage of the transistor becomes lower.

上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにn型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Slightly−n」と呼称してもよい。 The above-mentioned oxide semiconductor having an increased carrier density is slightly n-type. Therefore, an oxide semiconductor having an increased carrier density may be referred to as "Slightly-n".

実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、1×10cm−3以上1×1018cm−3未満が好ましく、1×10cm−3以上1×1017cm−3以下がより好ましく、1×10cm−3以上5×1016cm−3以下がさらに好ましく、1×1010cm−3以上1×1016cm−3以下がさらに好ましく、1×1011cm−3以上1×1015cm−3以下がさらに好ましい。 The carrier density of the substantially intrinsic oxide semiconductor is preferably 1 × 10 5 cm -3 or more and less than 1 × 10 18 cm -3, more preferably 1 × 10 7 cm -3 or more and 1 × 10 17 cm -3 or less. preferably, 1 × 10 9 cm -3 or more 5 × 10 16 cm -3 and more preferably less, more preferably 1 × 10 10 cm -3 or higher than 1 × 10 16 cm -3, 1 × 10 11 cm -3 or more It is more preferably 1 × 10 15 cm -3 or less.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The configuration shown in this embodiment can be used in combination with the configuration shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態8)
本実施の形態では、イメージセンサチップを収めたパッケージおよびモジュールの一例について説明する。当該イメージセンサチップには、本発明の一態様の撮像装置の構成を用いることができる。
(Embodiment 8)
In this embodiment, an example of a package and a module containing an image sensor chip will be described. For the image sensor chip, the configuration of the imaging device according to one aspect of the present invention can be used.

図35(A)は、イメージセンサチップを収めたパッケージの上面側の外観斜視図である。当該パッケージは、イメージセンサチップ650を固定するパッケージ基板610、カバーガラス620および両者を接着する接着剤630などを有する。 FIG. 35 (A) is an external perspective view of the upper surface side of the package containing the image sensor chip. The package includes a package substrate 610 for fixing the image sensor chip 650, a cover glass 620, an adhesive 630 for adhering both, and the like.

図35(B)は、当該パッケージの下面側の外観斜視図である。パッケージの下面には、半田ボールをバンプ640としたBGA(Ball grid array)の構成を有する。なお、BGAに限らず、LGA(Land grid array)やPGA(Pin Grid Array)などであってもよい。 FIG. 35B is an external perspective view of the lower surface side of the package. The lower surface of the package has a BGA (Ball grid array) configuration in which solder balls are bumps 640. In addition, it is not limited to BGA, and may be LGA (Land grid array), PGA (Pin grid array), or the like.

図35(C)は、カバーガラス620および接着剤630の一部を省いて図示したパッケージの斜視図であり、図35(D)は、当該パッケージの断面図である。パッケージ基板610上には電極パッド660が形成され、電極パッド660およびバンプ640はスルーホール680およびランド685を介して電気的に接続されている。電極パッド660は、イメージセンサチップ650が有する電極とワイヤ670によって電気的に接続されている。 FIG. 35 (C) is a perspective view of the package shown by omitting a part of the cover glass 620 and the adhesive 630, and FIG. 35 (D) is a cross-sectional view of the package. An electrode pad 660 is formed on the package substrate 610, and the electrode pad 660 and the bump 640 are electrically connected to each other via a through hole 680 and a land 685. The electrode pad 660 is electrically connected to the electrode of the image sensor chip 650 by a wire 670.

また、図36(A)は、イメージセンサチップをレンズ一体型のパッケージに収めたカメラモジュールの上面側の外観斜視図である。当該カメラモジュールは、イメージセンサチップ651を固定するパッケージ基板611、レンズカバー621、およびレンズ635などを有する。また、パッケージ基板611およびイメージセンサチップ651の間には撮像装置の駆動回路および信号変換回路などの機能を有するICチップ690も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。 Further, FIG. 36A is an external perspective view of the upper surface side of the camera module in which the image sensor chip is housed in a lens-integrated package. The camera module includes a package substrate 611 for fixing the image sensor chip 651, a lens cover 621, a lens 635, and the like. Further, an IC chip 690 having functions such as a drive circuit for an image pickup device and a signal conversion circuit is also provided between the package substrate 611 and the image sensor chip 651, and has a configuration as a SiP (System in package). There is.

図36(B)は、当該カメラモジュールの下面側の外観斜視図である。パッケージ基板611の下面および4側面には、実装用のランド641が設けられるQFN(Quad flat no− lead package)の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、QFP(Quad flat package)や前述したBGAなどであってもよい。 FIG. 36B is an external perspective view of the lower surface side of the camera module. The lower surface and the four side surfaces of the package substrate 611 have a QFN (Quad flat no-lead package) configuration in which land 641 for mounting is provided. The configuration is an example, and may be a QFP (Quad flat package), the above-mentioned BGA, or the like.

図36(C)は、レンズカバー621およびレンズ635の一部を省いて図示したモジュールの斜視図であり、図36(D)は、当該カメラモジュールの断面図である。ランド641の一部は電極パッド661として利用され、電極パッド661はイメージセンサチップ651およびICチップ690が有する電極とワイヤ671によって電気的に接続されている。 FIG. 36 (C) is a perspective view of the module shown by omitting a part of the lens cover 621 and the lens 635, and FIG. 36 (D) is a cross-sectional view of the camera module. A part of the land 641 is used as an electrode pad 661, and the electrode pad 661 is electrically connected to the electrodes of the image sensor chip 651 and the IC chip 690 by a wire 671.

イメージセンサチップを上述したような形態のパッケージに収めることで実装が容易になり、様々な半導体装置、電子機器に組み込むことができる。 By housing the image sensor chip in a package having the above-mentioned form, it can be easily mounted and incorporated into various semiconductor devices and electronic devices.

なお、本実施の形態は撮像装置に限らず、他の半導体装置に適用することができる。例えば、記憶装置に本実施の形態を適用することができる。 The present embodiment is not limited to the imaging device, and can be applied to other semiconductor devices. For example, the present embodiment can be applied to a storage device.

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。 The configuration shown in this embodiment can be used in combination with the configuration shown in other embodiments as appropriate.

(実施の形態9)
本実施の形態では、本発明の一態様に係る撮像装置を適用できる電子機器の一例について説明する。
(Embodiment 9)
In the present embodiment, an example of an electronic device to which the imaging device according to one aspect of the present invention can be applied will be described.

本発明の一態様に係る撮像装置、および当該撮像装置を含む半導体装置を用いることができる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像記憶装置または画像再生装置、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤーなど)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図37に示す。 As an image pickup device according to one aspect of the present invention and an electronic device capable of using the semiconductor device including the image pickup device, a display device, a personal computer, an image storage device or an image reproduction device provided with a recording medium, a mobile phone, a portable device, etc. Game machines including molds, portable data terminals, electronic book terminals, video cameras, cameras such as digital still cameras, goggle type displays (head mount displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copying Examples include machines, facsimiles, printers, multifunction printers, automatic cash deposit / payment machines (ATMs), and vending machines. Specific examples of these electronic devices are shown in FIG. 37.

図37(A)は監視カメラであり、筐体701、レンズ702、支持部703などを有する。当該監視カメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、またはビデオカメラとも呼ばれる。 FIG. 37A is a surveillance camera, which includes a housing 701, a lens 702, a support portion 703, and the like. An imaging device according to an aspect of the present invention can be provided as one of the components for acquiring an image in the surveillance camera. It should be noted that the surveillance camera is a conventional name and does not limit its use. For example, a device having a function as a surveillance camera is also called a camera or a video camera.

図37(B)はビデオカメラであり、第1筐体711、第2筐体712、表示部713、操作キー714、レンズ715、接続部716などを有する。操作キー714およびレンズ715は第1筐体711に設けられており、表示部713は第2筐体712に設けられている。当該ビデオカメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。 FIG. 37B is a video camera, which includes a first housing 711, a second housing 712, a display unit 713, an operation key 714, a lens 715, a connection unit 716, and the like. The operation keys 714 and the lens 715 are provided in the first housing 711, and the display unit 713 is provided in the second housing 712. An image pickup device according to an aspect of the present invention can be provided as one of the components for acquiring an image in the video camera.

図37(C)は携帯データ端末であり、筐体721、表示部722、カメラ723などを有する。表示部722が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができる。当該携帯データ端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。 FIG. 37C is a portable data terminal, which includes a housing 721, a display unit 722, a camera 723, and the like. Information can be input and output by the touch panel function of the display unit 722. An imaging device according to an aspect of the present invention can be provided as one of the components for acquiring an image in the portable data terminal.

図37(D)は腕時計型の情報端末であり、筐体731、表示部732、リストバンド733、操作用のボタン734、竜頭735、カメラ736などを有する。表示部732はタッチパネルとなっていてもよい。当該情報端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。 FIG. 37 (D) is a wristwatch-type information terminal, which includes a housing 731, a display unit 732, a wristband 733, an operation button 734, a crown 735, a camera 736, and the like. The display unit 732 may be a touch panel. An image pickup device according to an aspect of the present invention can be provided as one of the parts for acquiring an image in the information terminal.

図37(E)は携帯型ゲーム機であり、筐体741、筐体742、表示部743、表示部744、マイク745、スピーカー746、操作キー747、スタイラス748、カメラ749などを有する。なお、図37(E)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部743と表示部744とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。当該携帯型ゲーム機における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。 FIG. 37 (E) is a portable game machine, which includes a housing 741, a housing 742, a display unit 743, a display unit 744, a microphone 745, a speaker 746, an operation key 747, a stylus 748, and a camera 794. The portable game machine shown in FIG. 37 (E) has two display units 743 and a display unit 744, but the number of display units of the portable game machine is not limited to this. An image pickup device according to an aspect of the present invention can be provided as one of the parts for acquiring an image in the portable game machine.

図37(F)は検査装置であり、筐体751、センサ752などを有する。該検査装置は、例えばベルトコンベア753に配置された商品754に発生したキズを検出することができる。センサ752として本発明の一態様の撮像装置を用いることができる。 FIG. 37 (F) is an inspection device, which includes a housing 751 and a sensor 752. The inspection device can detect scratches generated on the product 754 arranged on the belt conveyor 753, for example. As the sensor 752, the image pickup apparatus of one aspect of the present invention can be used.

なお、本発明の一態様の撮像装置を具備していれば、上記で示した電子機器に特に限定されない。 The electronic device shown above is not particularly limited as long as the image pickup device according to one aspect of the present invention is provided.

また、本実施の形態で示した電子機器は、本発明の一態様の撮像装置を具備していなくても、本発明の一態様の半導体装置を具備していればよい。例えば、本実施の形態で示した電子機器は、本発明の一態様の記憶装置を具備していればよい。また、本発明の一態様の半導体装置を具備していれば、上記で示した電子機器に特に限定されない。 Further, the electronic device shown in the present embodiment does not have to be equipped with the imaging device of one aspect of the present invention, but may be provided with the semiconductor device of one aspect of the present invention. For example, the electronic device shown in the present embodiment may be provided with the storage device of one aspect of the present invention. Further, as long as the semiconductor device according to one aspect of the present invention is provided, the electronic device is not particularly limited as shown above.

本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with other embodiments shown herein.

10 撮像装置
11 画素
12 画素アレイ
13 回路
14 回路
15 回路
16 回路
16A 回路
16B 回路
17 回路
17A 回路
17B 回路
20 回路
21 トランジスタ
22 トランジスタ
23 トランジスタ
24 トランジスタ
25 トランジスタ
26 トランジスタ
27 配線
28 配線
29 配線
30 回路
31 トランジスタ
32 トランジスタ
33 トランジスタ
34 トランジスタ
35 配線
36 配線
40 回路
41 トランジスタ
42 トランジスタ
43 トランジスタ
44 配線
45 配線
50 回路
51 回路
52a 回路
52b 回路
53 トランジスタ
53a トランジスタ
53b トランジスタ
54 容量素子
54a 容量素子
54b 容量素子
55 配線
56 配線
61a 配線
61b 配線
62a 配線
62b 配線
63a 配線
63b 配線
70 回路
71 トランジスタ
72 トランジスタ
73 トランジスタ
74 トランジスタ
75a 配線
75b 配線
76 配線
77 配線
78 配線
80 領域
81A 配線
81B 配線
82 配線
82A 配線
82B 配線
83 配線
84 配線
85 配線
401 トランジスタ
402 トランジスタ
403 トランジスタ
404 トランジスタ
405 トランジスタ
406 トランジスタ
407 トランジスタ
408 トランジスタ
409 トランジスタ
410 トランジスタ
411 トランジスタ
412 トランジスタ
413 トランジスタ
415 基板
420 絶縁膜
430 酸化物半導体膜
430a 酸化物半導体膜
430b 酸化物半導体膜
430c 酸化物半導体膜
440 導電膜
441 導電膜
442 導電膜
450 導電膜
451 導電膜
452 導電膜
460 絶縁膜
470 導電膜
471 導電膜
472 導電膜
473 導電膜
475 絶縁膜
480 絶縁膜
531 領域
532 領域
533 領域
534 領域
535 領域
610 パッケージ基板
611 パッケージ基板
620 カバーガラス
621 レンズカバー
630 接着剤
635 レンズ
640 バンプ
641 ランド
650 イメージセンサチップ
651 イメージセンサチップ
660 電極パッド
661 電極パッド
670 ワイヤ
671 ワイヤ
680 スルーホール
685 ランド
690 ICチップ
701 筐体
702 レンズ
703 支持部
711 筐体
712 筐体
713 表示部
714 操作キー
715 レンズ
716 接続部
721 筐体
722 表示部
723 カメラ
731 筐体
732 表示部
733 リストバンド
734 ボタン
735 竜頭
736 カメラ
741 筐体
742 筐体
743 表示部
744 表示部
745 マイク
746 スピーカー
747 操作キー
748 スタイラス
749 カメラ
751 筐体
752 センサ
753 ベルトコンベア
754 商品
10 Imaging device 11 pixels 12 pixels Array 13 Circuit 14 Circuit 15 Circuit 16 Circuit 16A Circuit 16B Circuit 17 Circuit 17A Circuit 17B Circuit 20 Circuit 21 Transistor 22 Transistor 23 Transistor 24 Transistor 25 Transistor 26 Transistor 27 Wiring 28 Wiring 29 Wiring 30 Circuit 31 Transistor 32 Transistor 33 Transistor 34 Transistor 35 Wiring 36 Wiring 40 Circuit 41 Transistor 42 Transistor 43 Transistor 44 Wiring 45 Wiring 50 Circuit 51 Circuit 52a Circuit 52b Circuit 53 Transistor 53a Transistor 53b Transistor 54 Capacitive element 54a Capacitive element 54b Capacitive element 55 Wiring 56 Wiring 61a Wiring 61b Wiring 62a Wiring 62b Wiring 63a Wiring 63b Wiring 70 Circuit 71 Transistor 72 Transistor 73 Transistor 74 Transistor 75a Wiring 75b Wiring 76 Wiring 77 Wiring 78 Wiring 80 Area 81A Wiring 81B Wiring 82 Wiring 82A Wiring 82B Wiring 83 Wiring 84 Wiring 85 Wiring 401 Transistor 402 Transistor 403 Transistor 404 Transistor 405 Transistor 406 Transistor 407 Transistor 408 Transistor 409 Transistor 410 Transistor 411 Transistor 412 Transistor 413 Transistor 415 Substrate 420 Insulation film 430 Oxide semiconductor film 430a Oxide semiconductor film 430b Oxide semiconductor film 430c Oxide semiconductor film 440 Conductive 441 Conductive 442 Conductive 450 Conductive 451 Conductive 452 Conductive 460 Insulating film 470 Conductive 471 Conductive 472 Conductive 473 Conductive 475 Insulating film 480 Insulating film 531 Region 532 Region 533 Region 534 Region 535 Region 610 Package board 611 Package board 620 Cover glass 621 Lens cover 630 Adhesive 635 Lens 640 Bump 641 Land 650 Image sensor chip 651 Image sensor chip 660 Electrode pad 661 Electrode pad 670 Wire 671 Wire 680 Through hole 685 Land 690 IC chip 701 Housing 702 Lens 703 Support part 711 Housing 712 Housing 713 Display unit 714 Operation key 715 Lens 716 connection Part 721 Housing 722 Display 723 Camera 731 Housing 732 Display 733 Wristband 734 Button 735 Crown 736 Camera 741 Housing 742 Housing 743 Display 744 Display 745 Microphone 746 Speaker 747 Operation key 748 Stylus 749 Camera 751 752 Sensor 753 Belt Conveyor 754 Product

Claims (2)

書き込み動作と読み出し動作を行うことが可能なラインバッファを有し、
前記ラインバッファは、第1の回路と、第2の回路と、第3の回路と、第4の回路と、を有し、
前記第1の回路と前記第2の回路と前記第3の回路と前記第4の回路とは、互いに第1の配線により電気的に接続され、
前記第1の回路と前記第2の回路と前記第3の回路と前記第4の回路とは、互いに第2の配線により電気的に接続され、
前記第2の回路は、1ビットの相補データを記憶する機能を有し、
前記第3の回路は、前記第1の配線および前記第2の配線をプリチャージする機能を有し、
前記第4の回路は、前記第2の回路から書き込まれた1ビットの前記相補データを保持する機能を有する
前記第1の回路は、前記ラインバッファが前記書き込み動作を行う場合は、第3の配線から入力される信号を前記第1の配線に転送し、第4の配線から入力される信号を前記第2の配線に転送する機能を有し、
前記第1の回路は、前記ラインバッファが前記読み出し動作を行う場合は、前記第1の配線から入力される信号を第5の配線に出力し、前記第2の配線から入力される信号を第6の配線に出力する機能を有し、
前記第2の回路は、前記ラインバッファが前記書き込み動作を行う場合は、前記第2の回路に記憶された前記相補データを前記第4の回路に書き込む機能を有し、
前記第2の回路は、前記ラインバッファが前記読み出し動作を行う場合は、前記第4の回路から転送された前記相補データを増幅する機能を有し、
前記第1の回路乃至前記第3の回路が有するトランジスタは、活性層にシリコンを有し、
前記第4の回路が有するトランジスタは、活性層に酸化物半導体を有し、
前記第4の回路は、前記第1の回路乃至前記第3の回路が形成されている領域上に重ねて設けられる半導体装置。
It has a line buffer that can perform write and read operations.
The line buffer includes a first circuit, a second circuit, a third circuit, and a fourth circuit.
The first circuit, the second circuit, the third circuit, and the fourth circuit are electrically connected to each other by the first wiring.
The first circuit, the second circuit, the third circuit, and the fourth circuit are electrically connected to each other by a second wiring.
The second circuit has a function of storing 1-bit complementary data.
The third circuit has a function of precharging the first wiring and the second wiring.
The fourth circuit has a function of holding the 1-bit complementary data written from the second circuit. The first circuit has a third circuit when the line buffer performs the write operation. It has a function of transferring a signal input from the wiring to the first wiring and transferring a signal input from the fourth wiring to the second wiring.
When the line buffer performs the read operation, the first circuit outputs a signal input from the first wiring to the fifth wiring, and outputs a signal input from the second wiring to the fifth wiring. It has a function to output to the wiring of 6.
The second circuit has a function of writing the complementary data stored in the second circuit to the fourth circuit when the line buffer performs the write operation.
The second circuit, when said line buffer performs the read operation is to have a function of amplifying the complementary data transferred from the fourth circuit,
The transistor contained in the first circuit to the third circuit has silicon in the active layer, and the transistor has silicon.
The transistor included in the fourth circuit has an oxide semiconductor in the active layer and has an oxide semiconductor.
The fourth circuit is a semiconductor device provided so as to be superposed on a region in which the first circuit to the third circuit is formed .
請求項1において、
前記第4の回路は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、第2の容量素子と、を有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第1の配線と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第1の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2の配線と電気的に接続され、
前記第2のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第2の容量素子の一方の端子と電気的に接続され、
前記第1の容量素子の他方の端子は、前記第2の容量素子の他方の端子と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタは、活性層に酸化物半導体を有する半導体装置。
In claim 1,
The fourth circuit includes a first transistor, a second transistor, a first capacitive element, and a second capacitive element.
One of the source or drain of the first transistor is electrically connected to the first wire.
The other of the source or drain of the first transistor is electrically connected to one terminal of the first capacitive element.
One of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the second wire.
The other of the source or drain of the second transistor is electrically connected to one terminal of the second capacitive element.
The other terminal of the first capacitive element is electrically connected to the other terminal of the second capacitive element.
The first transistor and the second transistor are semiconductor devices having an oxide semiconductor in the active layer.
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